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2020年 第47卷 第2期
封面故事：茹占强，宋贺伦，吴菲，等. 高效非成像聚光光学系统设计与性能分析[J]. 光电工程，2020，47(2): 190203
针对菲涅尔透镜存在实际光学效率偏低的问题，本文设计了一种由非球面透镜和棒锥镜组成的高效非成像聚光光学系统。在光学设计软件Zemax的序列模式下对非球面透镜进行了优化设计，通过最大程度地减小球差，像面光斑的几何半径从42 mm降到了1.7 mm。该模组的光电转换效率达30.03%，与菲涅尔透镜构成的高倍聚光型光伏模组相比有显著提升。
科研论文
2020, 47(2): 180536.
DOI: 10.12086/oee.2020.180536
摘要：
为了调节视场较大的卡塞格林望远镜的次镜位置，提出了两步式灵敏度矩阵模型的计算机辅助装调方法。在分析了传统的二次模型灵敏度矩阵法的缺陷的基础上，根据灵敏度矩阵的特点加入了精调步骤，对传统的灵敏度矩阵法进行了改进。针对卡塞格林系统，分析了各项泽尼克系数与失调量之间的关系，并对300 mm口径，0.6°视场的卡塞格林系统进行了校正仿真。仿真结果显示，传统的灵敏度矩阵法校正后沿x、y、z轴偏移及绕x、y轴倾斜的失调量的均值分别为：-0.0684 mm、-0.0892 mm、0.0015 mm、0.0498°和-0.0444°，全视场波像差RMS均小于0.1λ(λ=632.8 nm)；两步式灵敏度矩阵法校正后的均值分别为-0.0018 mm、-0.0012 mm、0.0002 mm、0.0008°和-0.0012°，全视场RMS均小于0.03λ，明显优于传统的灵敏度矩阵法。
为了调节视场较大的卡塞格林望远镜的次镜位置，提出了两步式灵敏度矩阵模型的计算机辅助装调方法。在分析了传统的二次模型灵敏度矩阵法的缺陷的基础上，根据灵敏度矩阵的特点加入了精调步骤，对传统的灵敏度矩阵法进行了改进。针对卡塞格林系统，分析了各项泽尼克系数与失调量之间的关系，并对300 mm口径，0.6°视场的卡塞格林系统进行了校正仿真。仿真结果显示，传统的灵敏度矩阵法校正后沿x、y、z轴偏移及绕x、y轴倾斜的失调量的均值分别为：-0.0684 mm、-0.0892 mm、0.0015 mm、0.0498°和-0.0444°，全视场波像差RMS均小于0.1λ(λ=632.8 nm)；两步式灵敏度矩阵法校正后的均值分别为-0.0018 mm、-0.0012 mm、0.0002 mm、0.0008°和-0.0012°，全视场RMS均小于0.03λ，明显优于传统的灵敏度矩阵法。
科研论文
2020, 47(2): 180661.
DOI: 10.12086/oee.2020.180661
摘要：
平面复眼成像系统利用多个子孔径对场景进行成像，由于子孔径大小和图像传感器空间采样率的限制，各子孔径图像质量较差。如何融合多个子孔径图像来获得高分辨率图像是亟需解决的问题。多图像超分辨理论利用多幅具有互补信息的图像来重构高空间分辨率图像，然而现有理论通常采用过于简化的运动模型，这种简化的运动模型对平面复眼成像并不完全适用。若直接把现有多图像超分辨理论用于平面复眼分辨率增强，不准确的相对运动估计将降低图像分辨率增强性能。针对这些问题，本文在变分贝叶斯框架下改进了现有多图像超分辨理论中的运动模型，并把导出的联合估计算法用于平面复眼分辨率增强。仿真数据实验和真实复眼数据实验验证了推荐方法的正确性和有效性。
平面复眼成像系统利用多个子孔径对场景进行成像，由于子孔径大小和图像传感器空间采样率的限制，各子孔径图像质量较差。如何融合多个子孔径图像来获得高分辨率图像是亟需解决的问题。多图像超分辨理论利用多幅具有互补信息的图像来重构高空间分辨率图像，然而现有理论通常采用过于简化的运动模型，这种简化的运动模型对平面复眼成像并不完全适用。若直接把现有多图像超分辨理论用于平面复眼分辨率增强，不准确的相对运动估计将降低图像分辨率增强性能。针对这些问题，本文在变分贝叶斯框架下改进了现有多图像超分辨理论中的运动模型，并把导出的联合估计算法用于平面复眼分辨率增强。仿真数据实验和真实复眼数据实验验证了推荐方法的正确性和有效性。
科研论文
2020, 47(2): 190139.
DOI: 10.12086/oee.2020.190139
摘要：
针对3D-CNN能够较好地提取视频中时空特征但对计算量和内存要求很高的问题，本文设计了高效3D卷积块替换原来计算量大的3×3×3卷积层，进而提出了一种融合3D卷积块的密集残差网络(3D-EDRNs)用于人体行为识别。高效3D卷积块由获取视频空间特征的1×3×3卷积层和获取视频时间特征的3×1×1卷积层组合而成。将高效3D卷积块组合在密集残差网络的多个位置中，不但利用了残差块易于优化和密集连接网络特征复用等优点，而且能够缩短训练时间，提高网络的时空特征提取效率和性能。在经典数据集UCF101、HMDB51和动态多视角复杂3D人体行为数据库(DMV action3D)上验证了结合3D卷积块的3D-EDRNs能够显著降低模型复杂度，有效提高网络的分类性能，同时具有计算资源需求少、参数量小和训练时间短等优点。
针对3D-CNN能够较好地提取视频中时空特征但对计算量和内存要求很高的问题，本文设计了高效3D卷积块替换原来计算量大的3×3×3卷积层，进而提出了一种融合3D卷积块的密集残差网络(3D-EDRNs)用于人体行为识别。高效3D卷积块由获取视频空间特征的1×3×3卷积层和获取视频时间特征的3×1×1卷积层组合而成。将高效3D卷积块组合在密集残差网络的多个位置中，不但利用了残差块易于优化和密集连接网络特征复用等优点，而且能够缩短训练时间，提高网络的时空特征提取效率和性能。在经典数据集UCF101、HMDB51和动态多视角复杂3D人体行为数据库(DMV action3D)上验证了结合3D卷积块的3D-EDRNs能够显著降低模型复杂度，有效提高网络的分类性能，同时具有计算资源需求少、参数量小和训练时间短等优点。
科研论文
2020, 47(2): 190203.
DOI: 10.12086/oee.2020.190203
摘要：
针对菲涅尔透镜存在实际光学效率偏低的问题，本文设计了一种由非球面透镜和棒锥镜组成的高效非成像聚光光学系统。在光学设计软件Zemax的序列模式下对非球面透镜进行了优化设计，通过最大程度地减小球差，像面光斑的几何半径从42 mm降到了1.7 mm。基于此，在Zemax的非序列模式下，完成了非球面透镜和棒锥镜的建模和优化，通过蒙特卡罗光线追迹分析实现了光学效率为87%、接收角为0.9°的非成像聚光光学系统。最后，基于非球面透镜阵列和棒锥镜样品，实现了高倍聚光型光伏模组的封装与测试。测试结果表明，该模组的光电转换效率达30.03%，与菲涅尔透镜构成的高倍聚光型光伏模组相比有显著提升。
针对菲涅尔透镜存在实际光学效率偏低的问题，本文设计了一种由非球面透镜和棒锥镜组成的高效非成像聚光光学系统。在光学设计软件Zemax的序列模式下对非球面透镜进行了优化设计，通过最大程度地减小球差，像面光斑的几何半径从42 mm降到了1.7 mm。基于此，在Zemax的非序列模式下，完成了非球面透镜和棒锥镜的建模和优化，通过蒙特卡罗光线追迹分析实现了光学效率为87%、接收角为0.9°的非成像聚光光学系统。最后，基于非球面透镜阵列和棒锥镜样品，实现了高倍聚光型光伏模组的封装与测试。测试结果表明，该模组的光电转换效率达30.03%，与菲涅尔透镜构成的高倍聚光型光伏模组相比有显著提升。
科研论文
2020, 47(2): 190239.
DOI: 10.12086/oee.2020.190239
摘要：
扫频源光学相干层析血管成像(SS-OCTA)是一种基于分频幅去相关血管造影法(SSADA)的新型血管成像技术，在肿瘤等疾病的早期诊断方面拥有较大前景。本文在5.12 mm×5.12 mm成像视场、标准图像最大信噪比34.3 dB的SS-OCTA成像平台，对黑色素瘤C57BL6小鼠进行皮肤结构和血管成像采集。结果表明在皮肤科疾病的早期诊断方面，利用SS-OCTA系统进行血管成像优于结构成像。
扫频源光学相干层析血管成像(SS-OCTA)是一种基于分频幅去相关血管造影法(SSADA)的新型血管成像技术，在肿瘤等疾病的早期诊断方面拥有较大前景。本文在5.12 mm×5.12 mm成像视场、标准图像最大信噪比34.3 dB的SS-OCTA成像平台，对黑色素瘤C57BL6小鼠进行皮肤结构和血管成像采集。结果表明在皮肤科疾病的早期诊断方面，利用SS-OCTA系统进行血管成像优于结构成像。
科研论文
2020, 47(2): 190252.
DOI: 10.12086/oee.2020.190252
摘要：
针对传统轨距检测方法设备复杂、安装要求高和数据计算量大的问题，设计了一种基于轮轨相对横移的轨距检测系统。该系统首先使用两组激光源与相机组合分别采集左右两边轨头内侧激光光斑图像，然后根据钢轨边缘特点使用Hough检测与透视变换将其矫正为同一采集距离正视视角图像，接着对比基准时刻图像计算激光光斑中心点垂向位移变化量并通过其与轮对横向相对位移的几何关系分别计算两侧轮轨相对横移变化量，最后由两者差值得到相对初始时刻轨距变化量实现轨距的间接检测。实验结果表明，该轨距检测方法硬件结构简单，数据计算量小且检测精度较高，可实现轨距参数的非接触式检测。
针对传统轨距检测方法设备复杂、安装要求高和数据计算量大的问题，设计了一种基于轮轨相对横移的轨距检测系统。该系统首先使用两组激光源与相机组合分别采集左右两边轨头内侧激光光斑图像，然后根据钢轨边缘特点使用Hough检测与透视变换将其矫正为同一采集距离正视视角图像，接着对比基准时刻图像计算激光光斑中心点垂向位移变化量并通过其与轮对横向相对位移的几何关系分别计算两侧轮轨相对横移变化量，最后由两者差值得到相对初始时刻轨距变化量实现轨距的间接检测。实验结果表明，该轨距检测方法硬件结构简单，数据计算量小且检测精度较高，可实现轨距参数的非接触式检测。
科研论文
2020, 47(2): 190254.
DOI: 10.12086/oee.2020.190254
摘要：
为实现激光棒透射波前的测量，改善一般泰曼型或斐索型干涉仪测量小口径激光棒透射波前时的边缘衍射效应，研究了一种变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪。通过调整移相反射镜的倾斜姿态，改变入射到马赫-曾德尔干涉光路的光束倾角，参考光束与测试光束的光程差随之变化，从而在相干光之间引入相移，实现了相移干涉测量。利用该干涉仪测量一根口径为Ф6 mm、长度为60 mm激光棒(Nd:YAG)的透射波前，测量结果的峰谷值(PV)为0.391λ，均方根值(RMS)为0.056λ；使用ZYGO激光干涉仪测量同一根激光棒，其透射波前的峰谷值(PV)为0.370λ，均方根值(RMS)为0.064λ。对比结果表明该干涉仪能实现光学元件透射波前的高精度检测，测试结果的一致性验证了该方案的可行性。该变倾角移相方法具有较高的移相精度和较大的移相范围，且该变倾角干涉系统中光束仅一次透过待测激光棒，可有效抑制多光束干涉现象，改善小口径激光棒的边缘衍射效应。
为实现激光棒透射波前的测量，改善一般泰曼型或斐索型干涉仪测量小口径激光棒透射波前时的边缘衍射效应，研究了一种变倾角移相马赫-曾德尔干涉仪。通过调整移相反射镜的倾斜姿态，改变入射到马赫-曾德尔干涉光路的光束倾角，参考光束与测试光束的光程差随之变化，从而在相干光之间引入相移，实现了相移干涉测量。利用该干涉仪测量一根口径为Ф6 mm、长度为60 mm激光棒(Nd:YAG)的透射波前，测量结果的峰谷值(PV)为0.391λ，均方根值(RMS)为0.056λ；使用ZYGO激光干涉仪测量同一根激光棒，其透射波前的峰谷值(PV)为0.370λ，均方根值(RMS)为0.064λ。对比结果表明该干涉仪能实现光学元件透射波前的高精度检测，测试结果的一致性验证了该方案的可行性。该变倾角移相方法具有较高的移相精度和较大的移相范围，且该变倾角干涉系统中光束仅一次透过待测激光棒，可有效抑制多光束干涉现象，改善小口径激光棒的边缘衍射效应。
科研论文
2020, 47(2): 190331.
DOI: 10.12086/oee.2020.190331
摘要：
针对工作台运动误差，提出了一种基于计算全息的无衍射光莫尔条纹三自由度测量方法。通过液晶空间光调制器(SLM)生成无衍射光，利用两束无衍射光干涉生成莫尔条纹。设计了无衍射光莫尔条纹三自由度测量光路，建立了三自由度运动误差数学模型，并用几何分析法将三种运动误差(偏摆角、滚转角和俯仰角)进行分离。利用旋转台模拟不同大小的三自由度运动误差，带有误差信息的无衍射光和莫尔条纹图案分别由CCD1和CCD2接收。实验结果表明，通过光斑中心偏移量计算出的实际运动误差值接近理论值，测量误差不超过0.0104°，验证了无衍射光莫尔条纹三自由度测量系统的可行性与正确性。
针对工作台运动误差，提出了一种基于计算全息的无衍射光莫尔条纹三自由度测量方法。通过液晶空间光调制器(SLM)生成无衍射光，利用两束无衍射光干涉生成莫尔条纹。设计了无衍射光莫尔条纹三自由度测量光路，建立了三自由度运动误差数学模型，并用几何分析法将三种运动误差(偏摆角、滚转角和俯仰角)进行分离。利用旋转台模拟不同大小的三自由度运动误差，带有误差信息的无衍射光和莫尔条纹图案分别由CCD1和CCD2接收。实验结果表明，通过光斑中心偏移量计算出的实际运动误差值接近理论值，测量误差不超过0.0104°，验证了无衍射光莫尔条纹三自由度测量系统的可行性与正确性。
科研论文
2020, 47(2): 190423.
DOI: 10.12086/oee.2020.190423
摘要：
金属材料的激光加工目前正向着低表面粗糙度、小热影响区及大深径比结构的趋势发展。新近发展了一种基于激光-水射流耦合原理的水导激光加工技术，本文阐述了水导激光加工技术的基本原理及其相对于传统激光加工方法的优势，基于激光-水射流耦合原理构建了一套水导激光加工设备，对多种金属材料进行了水导激光加工实验。利用超景深显微镜对加工工件表面进行了观测与分析，发现两种金属材料加工得到的盲孔边缘规则圆滑，切槽的边缘平直无毛刺，没有热影响区。实验结果说明对金属材料的水导激光精密加工具有可行性且有重要的应用价值。
金属材料的激光加工目前正向着低表面粗糙度、小热影响区及大深径比结构的趋势发展。新近发展了一种基于激光-水射流耦合原理的水导激光加工技术，本文阐述了水导激光加工技术的基本原理及其相对于传统激光加工方法的优势，基于激光-水射流耦合原理构建了一套水导激光加工设备，对多种金属材料进行了水导激光加工实验。利用超景深显微镜对加工工件表面进行了观测与分析，发现两种金属材料加工得到的盲孔边缘规则圆滑，切槽的边缘平直无毛刺，没有热影响区。实验结果说明对金属材料的水导激光精密加工具有可行性且有重要的应用价值。
科研论文
2020, 47(2): 190617.
DOI: 10.12086/oee.2020.190617
摘要：
为了解决传统白光干涉测量技术中对线性位移机构的位移精度要求过高的问题，本文提出了一种全视场外差白光干涉测量技术。该技术主要通过使用存在差频的白光干涉信号作为光源来实现在大扫描步长和低扫描精度条件下相干峰位置的高精度检测。本文首先建立了白光外差干涉的数学模型，再根据数学模型提供的光强信号特性提出了整体系统设计方案，然后对测量方案的可行性进行了实验验证。最后针对多种误差对算法计算精度的影响进行了理论分析和数据对比。误差分析的结果表明：白光外差干涉测量技术提供更高的测量精度和更好的抗干扰性能，有效地降低了传统白光干涉测量对线性位移机构精度的严苛依赖，为光学自由曲面检测技术提供了更多的可选解决方案。
为了解决传统白光干涉测量技术中对线性位移机构的位移精度要求过高的问题，本文提出了一种全视场外差白光干涉测量技术。该技术主要通过使用存在差频的白光干涉信号作为光源来实现在大扫描步长和低扫描精度条件下相干峰位置的高精度检测。本文首先建立了白光外差干涉的数学模型，再根据数学模型提供的光强信号特性提出了整体系统设计方案，然后对测量方案的可行性进行了实验验证。最后针对多种误差对算法计算精度的影响进行了理论分析和数据对比。误差分析的结果表明：白光外差干涉测量技术提供更高的测量精度和更好的抗干扰性能，有效地降低了传统白光干涉测量对线性位移机构精度的严苛依赖，为光学自由曲面检测技术提供了更多的可选解决方案。
科研论文
2020, 47(2): 190635.
DOI: 10.12086/oee.2020.190635
摘要：
超快速时间特性的光电倍增管的时间特性研究，对进一步研制国产超快时间响应的微通道板光电倍增管(FPMT)具有重要的指导作用。本文基于高能物理通用的VME测试方案，设计装置采用皮秒激光器的单光子脉冲工作模式，最终实现系统误差为25 ps的FPMT高精度时间测试系统。通过优化FPMT阳极信号读出方式、优化分压器结构及分压比例，对多款FPMT的时间特性进行测试研究。并提出在非单光子工作模式下表征FPMT时间分辨特性的本征时间下限值，用以对比分析各种不同工作状态的FPMT的时间分辨好坏。在对多款FPMT读出方式完成优化结构设计和对比测试后，研究结果表明，目前实验室来自不同生产单位的样管中，最佳的本征时间分辨下限值为30 ps。
超快速时间特性的光电倍增管的时间特性研究，对进一步研制国产超快时间响应的微通道板光电倍增管(FPMT)具有重要的指导作用。本文基于高能物理通用的VME测试方案，设计装置采用皮秒激光器的单光子脉冲工作模式，最终实现系统误差为25 ps的FPMT高精度时间测试系统。通过优化FPMT阳极信号读出方式、优化分压器结构及分压比例，对多款FPMT的时间特性进行测试研究。并提出在非单光子工作模式下表征FPMT时间分辨特性的本征时间下限值，用以对比分析各种不同工作状态的FPMT的时间分辨好坏。在对多款FPMT读出方式完成优化结构设计和对比测试后，研究结果表明，目前实验室来自不同生产单位的样管中，最佳的本征时间分辨下限值为30 ps。
