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最新刊期

2011 年第 9 期

现代应用光学

抑制光束抖动的快速反射镜复合控制
丁科,黄永梅,马佳光,付承毓
2011, 19(9): 1991-1998. DOI: 10.3788/OPE.20111909.1991

摘要：提出了改进的抑制光束抖动的快速反射镜控制算法,用于提高卫星平台捕获跟瞄(ATP)系统的瞄准精度。根据自适应前馈控制和经典PID控制算法的特点,分析了两种算法复合控制的优势。探讨了现有直接复合控制算法中自适应算法不收敛的原因,并依据解耦理论引入了解耦的复合控制算法,解决了现有直接复合算法不收敛的问题。最后,对经典PID控制,自适应前馈控制和解耦复合控制算法进行了实验比较。实验结果表明,在给定实验条件下,解耦复合控制算法的控制精度相对于经典PID反馈算法提高了近10倍;相对于自适应前馈算法提高了约3倍。结果显示,提出的解耦复合控制的算法结合了两种算法的优点,对抑制光束抖动更有效。
关键词：激光通信;光束抖动;快速反射镜;反馈控制;自适应前馈控制;直接复合控制;解耦复合控制

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发布时间：2020-08-12
空间合成孔径成像光学系统的光瞳对称性
王忠生,张学军
2011, 19(9): 1999-2005. DOI: 10.3788/OPE.20111909.1999

摘要：从对称性的角度分析比较了几种常见光学系统结构对非相干成像的影响。首先,采用了二维点扩散函数和二维空间调制传递函数分析评价复杂光瞳光学系统,通过理论分析得出复杂光瞳分布的对称性影响着点扩散函数和调制传递函数的对称性的结论。最后,利用二维评价手段,针对几种常见的合成孔径光学系统结构,Golay3、Golay4、JWST和Giant Magellan Telescope,的光瞳分布,通过光学设计软件Zemax和Matlab综合给出它们实际的二维点扩散函数和二维调制传递函数,并结合MTF的空间分布特性对光瞳分布的对称性进行了对比。对比结果表明,近期的JWST和GMT合成孔径光学系统分别具有30个和9个MTF对称轴,明显多于早期的Golay3系统的3个MTF对称轴,其MTF的分布也更加合理。因此,对于复杂光瞳非相干成像光学系统而言,好的光瞳分布对称性具有更好的空间成像特性。
关键词：合成孔径;光学成像系统;非相干成像;复杂光瞳;对称性

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发布时间：2020-08-12
镍金属保护光纤布拉格光栅的热处理及高温传感
饶春芳,张华,冯艳,肖丽丽,叶志清
2011, 19(9): 2006-2013. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2006

摘要：为了改善镍保护后光纤布拉格光栅(FBG)的高温传感性能,即降低其回程误差,减少其升温与降温灵敏度的差异,本文研究了产生这些现象的原因,认为其主要源于化学镀结合电镀镍过程中的残余应力。讨论了残余应力产生的机理,提出了适用于镍金属保护FBG的热处理方法。三次将金属镍保护后的FBG放置在120℃恒温炉中保温8 h后随炉冷却,对热处理前后的镍保护布拉格光纤光栅进行100~300 ℃的循环温度传感对照实验。结果显示:热处理前回程误差为6.64%,升温与降温灵敏度有较显著差异,且放置半个月后再次进行传感实验其特性也没有改善;热处理后,回程误差降到3.62%,升温灵敏度为22.84 pm/℃,降温灵敏度为22.76 pm/℃。实验表明,经适当热处理后的镍保护布拉格光纤光栅的实际工作温度可扩展到300 ℃,且具有较高的传感精度。
关键词：纤维光学;光纤布拉格光栅;高温传感;热处理;镍涂敷层

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发布时间：2020-08-12
980 nm高功率垂直腔面发射激光列阵的单元结构优化
张星,宁永强,曾玉刚,秦莉,刘云,王立军
2011, 19(9): 2014-2022. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2014

摘要：为了提高980 nm垂直腔面发射激光器(VCSEL)列阵的整体性能,对列阵单元器件的分布布拉格反射镜(DBR)的反射率进行了优化。分析了DBR的反射率与阈值电流,输出功率及转换效率之间的关系,在维持较低阈值电流的前提下适当调节了N-DBR的反射率,使单元器件斜率效率得到了有效提高,进而改善了VCSEL列阵的整体输出特性。优化DBR反射率后研制出的包含64个单元的VCSEL列阵器件在注入电流为6 A时的连续输出功率为2.73 W;在脉宽为100 ns,重复频率为100 Hz的130 A脉冲电流驱动下输出功率达到115 W;包含300个单元的列阵器件在注入电流为18 A时,连续输出功率达到5.26 W。对N-DBR反射率进行优化后,VCSEL列阵的整体输出特性得到了有效改善。
关键词：半导体激光器;垂直腔面发射激光器;结构优化;分布布拉格反射镜

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发布时间：2020-08-12
球面弯曲晶体在X射线背光成像的应用
刘利锋,肖沙里,毋玉芬,钱家渝,韦敏习,陈伯伦
2011, 19(9): 2023-2028. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2023

摘要：基于X射线布喇格衍射理论,研制了球面弯曲晶体分析器,用于研究和诊断惯性约束聚变的聚爆靶等离子体的形状、分布及稳定性。分析器的核心器件是石英球面弯晶,弯曲晶体半径为143.3 mm。首次利用石英球面弯曲晶体进行了单色X射线背光成像实验。采用接收面积为40 mm×30 mm的磷屏成像板作为接收装置,得到了清晰的铬靶单色X射线二维背光聚焦成像。对所得实验弧矢方向区域谱线的分析显示,石英球面弯曲晶体得到的X射线背光成像的空间分辨率约为83.3 μm。实验结果表明该球面弯曲晶体适合于X射线的背光诊断研究。
关键词：光谱学;球面弯曲晶体;X射线成像;空间分辨率

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发布时间：2020-08-12
共光路径向剪切干涉仪的设计
何煦,马军
2011, 19(9): 2029-2035. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2029

摘要：针对常规像移式干涉仪无法用于大口径、长光路光学系统波像差检测的工程问题,设计了共光路径向剪切干涉仪以消除采用标准波面所引入的系统误差。设计中采用由三角棱镜与斜方棱镜组合而成的胶合棱镜组作为波面剪切器件,将待测波面与其复制波面产生干涉,并通过一组有不同相对孔径的透镜切换装置来控制干涉仪剪切比。与4D动态干涉仪在不同条件下的比对试验数据表明,设计的剪切干涉仪的测试重复精度约为λ/80,实际测试精度RMS优于λ/20(λ=630 nm)。这种设计极大地缩小了仪器外形尺寸与重量,提高了超长光路干涉检测的效率。
关键词：光学测量;径向剪切干涉仪;波像差

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发布时间：2020-08-12
CCD分段测量的光学位移测量系统
李雅倩,付献斌,周坤
2011, 19(9): 2036-2042. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2036

摘要：为了高精度地实现大量程的位移测量,采用传统激光三角法的测量原理,提出一种基于虚拟探测器的激光三角法来测量位移。该方法基于3个CCD分段测量的思想,将3个CCD互相独立且沿光轴均匀分布,以此扩大传统方法测量的范围。使用平面反射镜作为虚拟探测器进行探测,当成像光束经平面镜反射后在CCD上成像时,系统相当于增加了一个CCD,扩展了测量量程。由准直系统、偏振片、光阑组成准直滤光系统,缩小探测器光敏面上像点的直径,减小被测表面非理想光点对测量精度的影响,从而实现了较高精度下的大位移测量。最后通过实验验证了方法的可行性。
关键词：激光三角法;CCD;虚拟探测器;位移测量

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发布时间：2020-08-12
叠加Y环单元频率选择表面的设计
陈新,高劲松,王岩松,冯晓国,梁凤超
2011, 19(9): 2043-2049. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2043

摘要：对Y环单元进行改造得到了叠加Y环单元图形,以延迟频率选择表面(FSS)的高次谐振,实现无干扰的单通带滤波器。运用谱域法分析得到的叠加Y环单元,并与Y环单元进行对比,分别讨论其角度稳定性、极化稳定性、-3 dB带宽和高次谐振点。分析表明:当中心频点同为17.6 GHz时,叠加Y环单元具有更窄的带宽,而高次谐波向后延迟6.5 GHz,并保证了良好的极化稳定性和角度稳定性。叠加Y环单元臂长从2.78 mm增大到3.18 mm时,中心频率从17.6 GHz下降到14.1 GHz;臂宽从1.1 mm增大到1.5 mm时,中心频率从17.6 GHz提高到20.6 GHz,带宽变大;单元间距从7.2 mm增加到8 mm时,带宽从4.5 GHz减小到3.5 GHz,中心频点不变;缝隙宽度增大时,带宽变大,中心频点升高。在微波暗室中对叠加Y环单元FSS进行测试,结果与预期一致。结果表明,叠加Y环单元在保证角度稳定性与极化稳定性前提下,能够延迟高次谐振点,为工作频段内实现单通带滤波器提供了新的思路。
关键词：频率选择表面(FSS);叠加Y环单元;高次谐波;极化稳定性;角度稳定性

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发布时间：2020-08-12
基于相机阵列获取元素图像的集成成像抗串扰参数设计
袁小聪,徐于萍,杨勇,赵星,步敬
2011, 19(9): 2050-2056. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2050

摘要：为了得到理想的抗串扰三维图像,研究了用相机阵列记录三维场景时,如何排列所获取的元素图像并使其与重构的微透镜阵列匹配的问题。通过分析集成成像原理,讨论了元素图像间距、微透镜阵列间距、焦距等几个重要参数之间的关系,证明了对于固定的微透镜阵列,元素图像间距是场景重构时的重要因素,并结合分析给出了最佳设计参数。系统分析了元素图像阵列放置在焦面或焦面以外的物像关系,以及元素图像间距的作用,针对上述因素对成像串扰及景深的影响,论证了在焦面成像时串扰最小,景深最大的结论。所证明的结论对用相机获取大场景时排列所获元素图像,实现三维再现具有指导意义。
关键词：集成成像;元素图像间距;微透镜阵列间距;场景重构

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发布时间：2020-08-12
月基地球等离子体层极紫外成像仪的光学设计
陈波,何飞
2011, 19(9): 2057-2062. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2057

摘要：依据地球等离子体层在30.4 nm的辐射特性,首次以月球为观测点进行地球等离子体层极紫外波段成像观测方法研究。确定了在月球表面使用的极紫外成像仪的技术参数,给出了视场角为15°、角分辨率为0.1°、入瞳面积>70 cm²的极紫外成像仪的结构形式,采用单球面多层膜反射镜与球面微通道板光子计数成像探测器相结合的方式设计了极紫外成像仪。对设计的极紫外多层膜光学系统成像仪进行光线追迹,弥散斑半径分别为0.210 mm (0°视场)、0.204 mm (3°视场)、0.204 mm (5°视场)、0.207 mm (7.5°视场),对应的角分辨率为0.08°,弥散斑在不同视场角度基本均匀,其结果满足设计要求。该仪器可在月球表面工作,获得视场范围为15.0 R_E,覆盖地球等离子体层主要区域,空间分辨率为0.10 R_E,可以很好地观测到地球等离子体层主要细节,为从外部进行地球等离子体层观测提供了一种高质量的成像观测方法。
关键词：地球等离子体层;极紫外成像仪;月基观测;光学设计

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发布时间：2020-08-12
变焦距系统的变倍补偿方式
蔡伟,张新,冯秀恒,王灵杰,张建萍,何锋赟
2011, 19(9): 2063-2071. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2063

摘要：为了寻找新的变倍补偿方式并降低设计变焦距系统时对经验的过分依赖,提出了一种光焦度分配及变焦补偿方法。首先以组元之间的间隔为初始量,把组元的运动形式作为自由量,通过计算公式求出满足间隔要求的光焦度分配和组元运动形式。这种方法在一定程度上降低了变焦系统光焦度分配的难度,同时为探寻新的变焦运动方式提供了新的思路。为了验证该方法的可行性,以三组式变焦系统为例,在同一指标下得到了4种不同的变焦运动方式。比较几种运动形式后认为三组全动型变焦方式为最优变焦方式。计算结果表明,得到的4种变焦方式的计算结果和优化后的结果都很接近,验证了该方法的准确性。
关键词：光学设计;光焦度分配;变焦系统;三组式变焦

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发布时间：2020-08-12

微纳技术与精密机械

大型管件的模压式精确缩径矫圆
殷璟,赵军,孙红磊,展培培
2011, 19(9): 2072-2078. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2072

摘要：提出以模压式缩径矫圆的方式代替机械扩径以减小管件椭圆度,提高其承压强度。模压式缩径矫圆采用闭合后模腔为一整圆的上、下模具对椭圆管坯进行矫圆,为减小矫圆后管坯的回弹,须使整个管坯内外壁均进入压缩塑性变形,即有足够的压缩率。本文采用小曲率曲梁平面压弯的分析方法对模压式缩径矫圆工艺进行了理论分析,推导出缩径矫圆弹复方程,该方程表示了管坯截面壁厚中心线上任意一点弹复后的曲率半径与管坯初始几何参数、材料性能、缩径率间的关系。工程中管线钢管的椭圆度技术要求一般为0.5%~1%,采用本文方法缩径矫圆后的管坯椭圆度<0.12%,完全满足技术要求。理论分析与实验结果的椭圆度相对偏差<0.09%,几何尺寸相对偏差<0.19%,表明模压式缩径矫圆在工程实际中具有应用价值。
关键词：缩径矫圆;平面压弯;回弹;椭圆度

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发布时间：2020-08-12
使用高浓度甲醇的微型直接甲醇燃料电池
王路文,张宇峰,何洪,赵悠然,刘晓为
2011, 19(9): 2079-2084. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2079

摘要：以丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)共聚物材料作为流场基体,以不锈钢薄片作为集流板,设计制作了一种新型空气自呼吸式微型直接甲醇燃料电池。采用线切割、激光切割等微加工技术制作集流板,并在集流板表面溅射金作防电蚀处理以降低接触电阻。通过对电池阳极传质的建模仿真以及性能测试发现,与传统微型DMFC的阳极结构相比,该阳极结构有效地提高了甲醇传质阻力,减小了甲醇渗透,更适于应用高浓度甲醇燃料。稳定性测试显示该微型DMFC在较高浓度(7 mol/L)和很小流速(0.1 ml/min)下可以稳定工作,满足了便携式电源对高能量密度的需求。该电池还具有轻质、可批量化生产等优点,便于便携式电源的进一步推广和应用。
关键词：直接甲醇燃料电池;空气自呼吸;甲醇浓度

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发布时间：2020-08-12
基于压电偏转系统的卫星平台振动补偿
韩诚山,李祥之,文明,赵庆磊,姜肖楠
2011, 19(9): 2085-2091. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2085

摘要：针对卫星平台振动严重影响空间光通信跟瞄精度的问题,提出了基于压电偏转控制系统的扰动补偿方案。建立了压电偏转系统的数学模型,设计了基于改进型最小均方根(LMS)滤波算法的自适应控制器,分析了最优步长选择的影响因素。针对输入信号的相位延迟问题,设计了自适应延迟滤波器,不仅有效地补偿了相位延迟,还可通过自适应调节输入信号相位,在不增加步长的前提下提高收敛速率。最后进行了实验验证,结果表明补偿后的残余误差仅为μrad量级,补偿因子达85%以上,验证了补偿算法的有效性和可行性。
关键词：空间光通信;卫星平台;振动补偿;压电偏转;LMS滤波

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发布时间：2020-08-12
结构化表面环境下软磨粒流的流场数值分析
计时鸣,马宝丽,谭大鹏
2011, 19(9): 2092-2099. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2092

摘要：为了研究模具结构化表面环境下软性磨粒流的流场加工特性,应用单颗动力学模型(SPD)通过数值模拟求解了颗粒在不同形态的湍流场中的运动特性。以U形流道为例,利用N-S方程、湍流的Realizable(k-ε)模型以及压力耦合方程的半隐相容(SIMPLEC)算法,求解了软性磨粒两相流场中流体的速度、压力等特性参数;接着利用SPD求解多种环境下软性磨粒两相流场中颗粒的速度、轨迹、密度分布等参数。实验结果表明:在流体初始速度为5,10,20 m/s 3种情况下,流体初始速度为5 m/s时颗粒沉降最为明显;在颗粒直径为0.01,0.05,0.1 mm 3种情况下,直径为0.01 mm时颗粒沉降较为明显;在水、柴油、机油3种不同黏度的湍流场中,两相软性磨粒流场特性非常接近。结论显示,流体的初始速度和颗粒的粒径使得湍流对颗粒运动特性影响较大,流体的黏性对其影响较小。
关键词：模具抛光;结构化表面;软磨粒流加工;单颗动力学模型;数值模拟

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发布时间：2020-08-12
Fizeau干涉仪主机的热稳定性设计与分析
王平,王汝冬,田伟,王立朋,隋永新,杨怀江
2011, 19(9): 2100-2107. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2100

摘要：搭建了光-机-热耦合模型,用于分析Fizeau干涉仪光机系统的热稳定性,并研究了该系统的计算流程、环境温度和系统光学质量的随机性、系统光学质量与环境温度的关系等。首先,根据实验室温控条件,建立环境温度的随机分布模型,进行了光-机-热耦合分析并计算不同温度下光机结构的热分布和结构变形;然后,通过Zernike多项式拟合透镜表面面形和曲率半径,利用光学仿真软件分析变形后的光学系统;最后,对系统光学质量进行概率分析,评价了系统的热稳定性。分析结果表明,温度控制在(22±0.1) ℃时,在2σ的置信水平下,Fizeau干涉仪的出射光波前的重复性可以达到0.016%λ,基本满足干涉仪主机光机系统的重复性要求。
关键词：Fizeau干涉仪;光机稳定性;重复性;光-机-热耦合分析

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发布时间：2020-08-12
多振子压电发电机的输出特性
阚君武,王淑云,彭少锋,张忠华,曾平,程光明,付晓庆
2011, 19(9): 2108-2116. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2108

摘要：为提高多振子压电发电机的输出能力及有效频带宽度,从理论及试验两方面研究了各压电振子直接串/并联及经整流桥串/并联时的输出电压特性。结果表明,压电振子结构及数量相同时,经整流桥串/并联输出的电压及频带宽度均优于直接串/并联输出的电压及频带宽度,且压电振子经整流桥串联输出方式优于并联输出方式,其电压波动也较小。最后,制作了3个压电振子构成的发电装置,并进行了压电振子不同连接方式时的输出电压对比试验。试验结果显示,各压电振子独立发电产生高于10 V电压的频率段分别为143.1~148.1 Hz,160~166.2 Hz,173.1~184.3 Hz,而经整流桥串联输出10 V电压时的连续频率段增至141.8~190 Hz,证明了压电振子经整流桥串联可有效提高多振子发电机的输出电压和频带宽度。
关键词：压电发电机;压电振子;输出电压特性;能量回收

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发布时间：2020-08-12
空间相机大功率CCD器件的热设计与热试验
陈立恒,李延春,罗志涛,董吉洪,王忠素,徐抒岩
2011, 19(9): 2117-2122. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2117

摘要：对空间相机大功率CCD器件进行了热设计以解决其散热问题,为了验证热设计的合理性进行了CCD焦面组件的热试验。首先,介绍了以传导为主要散热措施的CCD器件热设计方案,CCD器件的热量主要通过热管传递到冷源;然后,针对整个焦面组件进行了试验规划,特别对模拟冷板进行了专门设计;最后,在真空环境下进行了综合试验。试验结果显示,功耗为10 W的CCD器件连续工作70 min,在12 ℃冷源的情况下,能够控制焦平面器件的温度<35 ℃。该试验验证了CCD焦面组件热设计的合理性,并为焦面组件热分析计算模型修正提供了依据。
关键词：空间光学;空间相机;CCD;热设计;热试验

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发布时间：2020-08-12
解耦z轴微机械陀螺的研制
周浩,苏伟,刘显学,唐海林
2011, 19(9): 2123-2130. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2123

摘要：提出了一种检测模态解耦的z轴微机械陀螺,其检测模态被约束为1自由度振动,可抑制驱动模态的影响,降低不期望的检测模态偏置,并使用双质量结构在降低模态耦合的同时获得了较好的模态频率匹配。为满足驱动和检测模态自由度约束要求,使用了U形支撑梁。采用反应离子深刻蚀工艺制作了高深宽比结构层,获得了较大的验证质量,抑制了器件的机械热噪声,提高了陀螺分辨率。加工的陀螺面积为2 100 μm×2 100 μm,厚度为60 μm。采用真空封装,获得了较高的机械品质因子。测试结果表明,驱动和检测模态的品质因子分别为2 000和1 800,机械热噪声为3.76(°)/h·Hz。在±200 (°)/s的量程内,刻度因子为21 mV/(°)·s^-1,非线性度为1.426 %FS,1 h内测得零偏稳定性为0.057 9(°)/s。
关键词：微机械陀螺;机械解耦;反应离子深刻蚀

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发布时间：2020-08-12

信息科学

动载体光电平台视轴稳定精度的检测
孙辉,郎小龙,李志强,孙丽娜
2011, 19(9): 2131-2137. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2131

摘要：提出一种动载体光电平台视轴稳定精度的检测方法。介绍了光学测量原理,讨论了光电平台视轴稳定精度检测系统的实施路线,并对该系统使用的自准直光学成像系统、高速数字CMOS相机和光斑检测算法进行了研究。由安装在光电平台照准架上的平面反射镜反映光电平台视轴指向角度的变化,用高速数字CMOS相机采集图像,并通过计算图像之间归一化的互功率谱和采用相位相关配准算法检测光斑的亚像元级位移量实现了光电平台视轴指向角度的精确测量。将该方法应用于光电平台视轴稳定精度检测系统进行Leica经纬仪标定实验,结果显示,在视场检测范围为±1°、图像采样频率为500 frame/s时,检测误差<2 μrad,表明该方法实现了动态测量并满足高精度、大视场的检测要求。
关键词：光电平台;视轴稳定精度;相位相关;视场角;亚像元

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发布时间：2020-08-12
粗糙金属表面光条中心提取方法
赵博华,王伯雄,张金,罗秀芝
2011, 19(9): 2138-2145. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2138

摘要：为了精确提取粗糙金属表面的光条中心,提出了一种基于光切法的光刀条纹中心提取方法。从图像形态学角度出发,分析了图像的噪声来源,利用图像增强处理将噪声转化成颗粒状形态,并保持有效光条的连续条纹状特征。然后,通过对图像连通区域面积计数,分割噪声和有效光条信息,将得到的二值化光条图像作为掩模板,与原图像相乘来复原光条图像的灰度信息。最后,应用灰度重心法对已去噪的光条灰度图像进行中心提取。实验结果表明,提出的方法可使提取的光条中心全部落在光条位置区域。对噪声较多的直线条纹区域进行的中心提取显示,此方法的平均误差为0.337 5个像素。
关键词：光切法;光条中心提取;粗糙金属表面;重心法

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发布时间：2020-08-12
空间相机的颤振成像调制传递函数及仿真实验
张影
2011, 19(9): 2146-2153. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2146

摘要：为实现对卫星平台力学环境的合理约束,研究了空间相机颤振与成像调制传递函数(MTF)下降的关系。通过理论分析,建立了基于统计矩的颤振传递函数的数学模型,实现了在特定函数振动和已知振动曲线情况下对MTF下降曲线的计算。针对某空间相机,利用MATLAB软件的图形用户接口(GUI)编制了颤振成像MTF计算软件,计算了在有随机噪声的正弦型振动情况下不同振动幅值和频率对应的MTF值,得出该相机对于平台颤振的要求为:在0.04 ms积分时间内其振动角幅值小于0.05″,并避免相机产生200 Hz以上的振动。通过半物理仿真实验,对非函数形式的任意振动导致的传递函数下降进行深入分析,在图像的像质退化与振动传递函数之间建立了联系。用图像分析的方法计算了传递函数,结果与数学模型计算得到的传递函数趋势一致。
关键词：空间相机;颤振;调制传递函数;图像分析

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发布时间：2020-08-12
印刷电路板焊点的智能检测
谢宏威,张宪民,邝泳聪,欧阳高飞
2011, 19(9): 2154-2162. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2154

摘要：为了提高在线自动光学检测系统(AOI)的自动化程度,提出了一种基于增量聚类的智能焊点检测方法。首先,设计了在线智能AOI的系统框架。然后,根据焊点外观进行归纳分类,将关键子区域的面积特征应用于焊盘特征的量化与提取,将每类样本聚类为若干子类从而实现对多批次焊点的检测。最后,提出一种增量聚类算法,在线检测过程中系统可根据人工维修站反馈信息自动学习新的样本并调整相关检测参数。为了提高增量学习的效率,每次增量学习之前选择少量代表样本用于增量学习。采用提出的AOI系统检测焊点,准确率可达96.5%,平均每个焊点耗费9.3 ms。结果表明,本文提出的检测方法不仅可以对多批次的焊点缺陷进行有效识别,且对生产中工艺条件的变化有自适应能力,智能化程度较高,具有较强的实用价值。
关键词：自动光学检测;增量聚类;分类器;印刷电路板;焊点检测

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发布时间：2020-08-12
802.16d系统的视频跨层容错传输机制
迟学芬,张伟
2011, 19(9): 2163-2169. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2163

摘要：为了提高IEEE 802.16d系统的吞吐量和无线信道的视频质量,提出了估计物理层正交频分复用(OFDM)符号错误程度的方法,设计了视频跨层容错传输机制。在物理层用幸存路径的平均量度实时估计OFDM符号错误程度,得到了数据错误级因子(E_f);MAC层根据容错门限和E_f值决定是否上传CRC校验出错的数据包。同时,应用层采用优化的分组级FEC算法恢复丢弃和出错的视频帧。实验结果表明,容错门限取值在0.02~0.06时可以达到用户可接受的视频峰值信噪比(PSNR)。与无容错传输功能的802.16d系统相比,本文设计的视频容错传输系统可在各种信道条件下获得更好的视频质量和更高的吞吐量。
关键词：IEEE 802.16d;容错传输;正交频分复用;峰值信噪比;跨层设计

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发布时间：2020-08-12
可伸缩视频编码中基于部分解码的率失真优化
黄爱爱,陈耀武
2011, 19(9): 2170-2176. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2170

摘要：在可伸缩视频编码系统中,原始码流经过裁剪可以提取出多个子码流。为了联合优化原始码流和子码流的编码质量,提出了基于部分解码的率失真优化算法。首先,在增强层的率失真计算中,通过对离散余弦变换(DCT)系数进行有选择截断来估计子码流对编码的影响,并建立误差扩散失真图对部分解码引起的误差扩散进行预测。在基本层的率失真计算中,针对编码层之间在模式选择上的限制,使用多层联合编码方法来计算率失真代价。为了降低算法引入的计算量,对部分解码条件下的重建过程和基本层模式选择进行复杂度优化。最后,对参数选择进行了讨论,利用每个宏块的误差扩散敏感度来动态估计算法参数。实验结果表明,本方法能使子码流的峰值信噪比提高0.03~0.53 dB,可以满足可伸缩编码系统对编码效率和码率提取点的要求。
关键词：可伸缩视频编码;率失真优化;部分解码;漂移误差

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发布时间：2020-08-12
空间相机地面实时动态集成测试技术
胡君,王栋
2011, 19(9): 2177-2185. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2177

摘要：为了确保空间相机在轨长期、可靠工作,依据空间相机的系统结构和原理,提出了一种空间相机地面实时动态集成测试方法。采用自开发的星上载荷控制系统仿真设备、动态成像目标生成及模拟系统、主控系统仿真测试设备、CCD成像系统仿真测试设备、编码器仿真测试设备、热控仿真测试设备、电源监控系统和图像快视及数据记录系统等作为单元测试设备,应用卫星同步时钟和时钟同步采集卡,实现分布式仿真测试设备的精确时钟同步。以仿真调度控制服务器作为集成测试的控制核心,建立了集成运算模型、集成测试方法和网络实时动态集成测试工作平台。通过0.06(°)/s恒速运动调偏流角试验,验证了集成测试技术的有效性,连续拍摄到的动态目标调整图像倾斜小于0.01°。
关键词：空间相机;实时动态系统集成;仿真测试;测试设备

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发布时间：2020-08-12
基于FKICA-SIFT特征的合成孔径图像多尺度配准
刘向增,田铮,史振广,陈占寿
2011, 19(9): 2186-2196. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2186

摘要：针对合成孔径(SAR)图像的配准,提出一种基于仿射不变快速核独立成分分析-尺度不变特征变换(FKICA-SIFT)的多尺度配准方法。首先,根据特征点的Hessian矩阵构建仿射不变SIFT描述子。接着,利用FKICA提取该描述子的独立成分得到新的描述子FKICA-SIFT。然后,利用该描述子对Steerable滤波后的各层带通合成子图像提取的特征点进行匹配。最后,采用由粗到细的匹配策略逐步优化变换参数,实现图像的多尺度精确配准。实验结果表明,对有较大仿射变化的SAR图像,当阈值小于0.7时,该方法的匹配正确率大于85%,阈值小于0.5时,匹配正确率可达90%以上,配准精度达到亚像素水平, 优于SIFT,PCA-SIFT,ICA-SIFT及SURF等相关方法。使用该方法准确地检测出了地震前后唐家山堰塞湖水域的变化情况,基本满足了SAR图像变换检测前精确配准的要求。
关键词：图像配准;合成孔径雷达图像;尺度不变特征变换;快速核独立成分分析

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发布时间：2020-08-12
哈特曼技术在序列光斑检测中的应用
母一宁,刘泉,于林韬,李平
2011, 19(9): 2197-2204. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2197

摘要：为了提高水平链路大气无线激光通信中的对准精度,降低强湍流对激光通信的影响,对系统结构进行了改进并研究了光斑检测对准算法。首先,根据哈特曼-夏克传感器对波前畸变局部的实时探测结果,计算局部畸变的变化量,从而实时确定局部截止频率-局部判决阈值T_n。接着,采用统计序列均方误差获取序列采样信息M(X_i,Y_i),并根据局部阈值判决确定信标序列采样空间(X_i,Y_i)。最后,遵循最小二乘原则进行圆心拟合,使序列均方误差达到最小,并从信息论的角度出发,分析了基于序列信息圆心拟合光斑检测法的优缺点。实验结果表明,在湍流中该方法的检测精度优于4 μrad,比传统质心算法的检测精度高1倍,满足了大气无线激光对准的基本要求,较好地回避了湍流引入噪声过大这一难题。
关键词：序列信息;圆心拟合;波前畸变;最小均方误差;哈特曼技术

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发布时间：2020-08-12
用于分类的样本保局鉴别分析方法
杨利平,辜小花,叶洪伟
2011, 19(9): 2205-2213. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2205

摘要：针对高维数据分类中鉴别特征降维方法的小样本问题和有效维度丢失问题,结合最新提出的片对齐框架和保局投影提出了样本保局鉴别分析方法。该方法通过分别构造每个样本的类内近邻图和类外近邻图,并将所有样本的类内近邻图和类外近邻图结合起来,形成了所有样本的类内近邻和类外近邻关系。然后,在使所有样本的类内近邻尽可能地聚集在一起的同时使类外近邻尽可能地分开,得到从高维输入空间到低维特征空间的最优映射关系。该方法有效避免了高维数据分类的小样本问题且扩展了鉴别分析的低维特征空间的有效维度。在ORL、FERET和PIE等人脸库上的高维数据分类实验证实,样本保局鉴别分析方法显著优于经典的鉴别特征降维方法。与基于片对齐框架提出的鉴别局部对齐方法相比,样本保局鉴别分析方法在FERET库上的分类识别精度提高了4.5%以上。
关键词：保局投影;鉴别分析;降维;模式分类

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发布时间：2020-08-12
基于CAD技术实现工业零部件图像直线特征提取
张春森,胡平波
2011, 19(9): 2214-2221. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2214

摘要：针对工业零部件序列图像量测与重建中的线特征提取问题,提出了一种以CAD设计数据为引导,高精度检测图像中直线的数学模型。以三维计算机辅助设计(CAD)数据为基础,通过求解CAD三维直角坐标系与图像坐标系间的参数转换关系,将物方线特征投影至图像上,得到图像线特征初值范围。利用自适应最小二乘模板匹配提取出边缘点序列,对生成的上述点序列采用最小二乘法进行拟合,得到图像线特征的直线方程。通过求解图像相交直线的交点,高精度地获得表达工业零部件轮廓的直线段。采用上述算法对真实工业零部件图像进行了线特征提取,重建的直线长度与游标卡尺量测的直线长度之差的中误差为0.232 mm。实验结果表明,文中所给算法自动化程度高、稳定性强,可用于规则工业零部件高精度图像量测与重建。
关键词：计算机辅助设计(CAD);线特征提取;自适应模板;最小二乘法

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发布时间：2020-08-12
基于匹配搜索的伪随机序列生成多项式估计
柴先明,彭耿,师栋锋,吕守业,詹明
2011, 19(9): 2222-2227. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2222

摘要：对截短和误码条件下伪随机序列生成多项式估计算法的误码适应性进行了研究。根据伪随机序列的线性约束原理,通过构造关于生成多项式系数的校验方程组,提出了基于匹配搜索方法的生成多项式估计算法,并在搜索过程中利用生成多项式在二元域的基本特性缩小搜索范围来优化算法,减少计算量。最后,对算法在不同门限值和误码率时的估计性能进行了仿真,且以m序列为例,对本算法与典型算法在截短序列和误码适应性方面进行性能对比。仿真结果表明,该算法能较好完成对15阶m序列生成多项式的估计,可以适应20%以上的误码率,与现有算法相比,本算法具有更好的误码和截短序列适应性,能较好地满足工程实践中扩频序列分析的需要。
关键词：信息处理;伪随机序列;生成多项式;优化估计;匹配搜索

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发布时间：2020-08-12
高速实时光纤图像传输系统的实现
孙科林,周维超,吴钦章
2011, 19(9): 2228-2235. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2228

摘要：为提高光电经纬仪上图像传输系统的性能,设计了利用现场可编程门阵列(FPGA)的Rocket IO IP核,完成了Camera link并行接口与光模块串行接口的相互转换。通过自定义的图像传输协议,搭建了图像传输系统与各个分系统的互联平台,实现了高速图像实时传输至机下进行处理、显示和记录,同时在该光纤通道上复合传输相机控制命令和外同步时序。阐述了系统总体结构思想,发送端和接收端的软、硬件设计,介绍了Rocket IO关键属性、数据包收发状态机、图像传输协议等。实验结果表明,系统工作速率达2.5 Gb/s,传输链路稳定、可靠、无误码,突破了传统光纤传输协议的开源局限,用户可直接使用光纤串行数据信息,减少导电环配线量,具有传输带宽高,图像质量好,抗电磁干扰性能强等优点。系统经过测试验证并已应于到工程项目中。
关键词：光电经纬仪;现场可编程门阵列;Rocket IO;Camera link接口;光纤图像传输;图像传输协议

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发布时间：2020-08-12

光学精密工程暨纳米科技国际研讨会论文

Isara 400超精密坐标测量机的设计与标定
Henny Spaan,Ivo Widdershoven,Rilpho Donker
2011, 19(9): 2236-2241. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2236

摘要：介绍了Isara 400 3维超精坐标测量机标定的关键技术,包括平台标定和系统镜面台非垂直度标定。同时,提出了一种新的超精接触探针系统,给出了这种3维灵敏度探针的标定结果。
关键词：纳米技术;坐标测量机;接触探针;标定

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发布时间：2020-08-12
硫化铅纳米粒子的三阶非线性光学特性研究
Majles Ara M H,Afsary M,Hatami M,Malekfar R,Boroojerdian P
2011, 19(9): 2242-2246. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2242

摘要：针对硫化铅(PbS)特殊的三阶非线性光学特性,本文在水溶液里合成了PbS纳米粒子。紫外-可见光谱显示,由于使用了封端剂,合成的样品更加稳定。用紫外-可见吸收光谱和X射线衍射斑研究了PbS纳米粒子的特性,结果表明,由于纳米粒子尺寸减小,其吸收光谱显示极大的蓝移。利用Scherre方程估计PbS粒子的平均粒径约为8.2 nm。最后,基于使用了632.8 nm He-Ne激光器的用单光束Z-扫描技术研究了所制备的纳米粒子的非线性光学特性。对3种具有不同摩尔数的样品的测试表明,计算所得的非线性折射率在-10^-7(cm²/W)量级。
关键词：硫化铅;纳米粒子;Z-扫描;非线性光学特性

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发布时间：2020-08-12
塑料眼镜内外缺陷检测的全内反射照明技术
ZHAO Li-ping,LI Xiang,FANG Zhong-ping
2011, 19(9): 2247-2254. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2247

摘要：考虑目前大多数塑料眼镜镜片和光学表面的缺陷检测仍由人工完成,研究了基于全内反射照明的暗场检测技术,以提高用机器视觉进行自动缺陷检测的可见度及对比度,设计了镜头检测原型系统用于增强缺陷信号的强度并降低表面浮尘的干扰。利用设计的原型系统进行了试验测试并对自动缺陷检测结果与人工检测结果进行比较,结果验证了这种暗场全内反射检测技术的可行性。
关键词：塑料眼镜镜片;缺陷检测;机器视觉;全内反射

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发布时间：2020-08-12
基于光纤布拉格光栅和压电转换器的电功率传感器
CHENG Chin-hsing,CHANG Min-chih,LIU Wen-fung
2011, 19(9): 2255-2262. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2255

摘要：针对传统功率计测量电功率存在线圈电感、电容与金属部分的涡流感应等限制,本文基于布拉格光纤光栅与压电转换器设计了电功率传感器来测量实功率与虚功率。将布拉格光纤光栅粘贴于压电转换器上,构建了动态应变模拟装置。负载电压与负载电流的乘积形成的等效电压施加在压电转换器上使布拉格光纤光栅动态变化,由此测量光栅动态变化所造成的波长改变量即可得到等效负载功率。相位检测电路用于测量负载电压与负载电流的相位差,由该相位差即可求得功率因数。所研究的传感器可以取代传统功率计用于实功率和虚功率的测量。
关键词：电功率传感器;实功率;虚功率;光纤布拉格光栅;压电转换器

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发布时间：2020-08-12
串联光伏电池非晶硅薄膜的Nd³⁺:YAG 激光辅助掺杂与同时毛化
VASA N J,PALANI I A,SINGAPERUMAL,OKADA
2011, 19(9): 2263-2270. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2263

摘要：对结合激光辅助掺杂和毛化方法合成的光伏电池用Sb掺杂非晶硅薄膜进行了研究。首先,用阈值通量为460 mJ/cm²的激光照射镀有200~300 nm厚Sb的非晶硅薄膜进行施主扩散。为激活施主,样品用230 mJ/cm²的低激光通量再一次进行处理。进行施主激光扩散和活化时,激光光斑的重叠度达到光斑大小的90%,因此随后诱发了薄膜表面的毛化。多晶毛化峰由扫描电子显微镜、喇曼光谱、原子力显微镜等多种表征手段进行了验证,处理后的样品其正面和背面的拉曼光谱均出现了521 cm^-1的晶体峰值。样品的n型特征得到了Hall效应测试的证实,同时证明了掺杂的有效性。表面毛化粗糙度达到450 nm,并且观测到了光电导和吸收光谱的增强,这些均证实了样品光伏性质的改善。
关键词：激光辅助掺杂;掺杂;毛化;Sb;光伏电池;Nd³⁺∶YAG纳秒激光

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发布时间：2020-08-12
用于高速数据传输的微透镜模块设计及评价
田春林,林彦男,孙文信,林采薇,林宸生,张正阳
2011, 19(9): 2271-2276. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2271

摘要：针对英特尔光峰技术提出了一种非球面微透镜模块的光学优化设计及评价方法。该非球面微透镜模块可经由GGP多模光纤应用于高速数据的传输,非球面微透镜的直径为800 μm, 数值孔径为0.275。借助光学设计软件Code V 及LightTools进行仿真,评估了微透镜模块制造及组装的公差对系统耦合效率的影响,同时考虑了一些影响光功率损耗因素。结果表明,经光学优化设计得到的非球面微透镜模块的耦合损耗为-0.75 dB。最后,对于球面微透镜模块和非球面微透镜的性能进行了评价。
关键词：光学设计;非球面微透镜;数值孔径;多模光纤;耦合效率;公差分析

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发布时间：2020-08-12
用基于种子点的三维图像相关法测量连续大变形
肖振中,徐爱珠,安顺泰,唐正宗
2011, 19(9): 2277-2283. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2277

摘要：针对使用图像相关法测量物体发生的较大刚体旋转或变形容易失效的问题,提出了一种连续大变形的图像匹配方法。该方法首先利用相邻状态变形的连续性对种子点进行匹配,然后利用同一状态相邻点的变形连续性,通过种子点为其他点提供初值,并最终完成对所有点的匹配,从而在无需人工交互的情况下实现对大变形过程的高效测量。刚体旋转实验以及单向拉伸实验表明,对于 40°的刚体旋转位移场以及高达113%的变形,测量结果良好,证明了本文方法的有效性。
关键词：三维图像相关法;种子点;连续大变形;数字相机;标定

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发布时间：2020-08-12
利用三光束激光干涉仪评估纳米平台的移动性能
王世华,陈秀玲,徐淦
2011, 19(9): 2284-2292. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2284

摘要：纳米位移传感器多集成在纳米平台的平行移动柔性机构中,通过闭环控制回路来实现纳米级的平台移动精度,本文介绍了利用具有亚纳米分辨率的三光束单频激光干涉仪校正纳米级电容式线性移动平台位移的工作,阐述了校正测试系统的布局以及线位移和角度位移的校正测试原理。通过实验成功地对移动线位移320 μm的纳米平台进行了校正,实验数据表明,该平台的偏摆最大角位移为3.5″。另外,对该校正系统进行了测量不确定度分析,在覆盖因子k=2时,它的扩展不确定度为(1.8+1.23×10^-2 L)nm,测试长度L的单位是μm,由此显示该系统可有效评价纳米平台的移动性能。
关键词：电容式纳米平台;纳米位移传感器;激光干涉仪

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发布时间：2020-08-12
纳米尺度金属薄膜在拉伸状态下的稳定性
郭振山,王世斌,李林安,贾海坤,门玉涛,何巍
2011, 19(9): 2293-2299. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2293

摘要：将薄膜和基底作为一个基本结构来研究薄膜的变形和损坏可预测纳米薄膜器件的使用寿命。本文讨论和研究了薄膜基底结构在拉伸载荷下薄膜出现的分叉和断裂的过程。用在相同厚度的PET基底上沉积不同厚度铝膜的薄膜基底结构作为试件,分别对薄膜厚度为100,150和200 nm的3种不同试件进行了拉伸加载实验,并在OLYMPUS显微镜下观察了薄膜表面的变化情况。分析和对比结果表明:随着薄膜厚度的增加,薄膜出现分叉现象的失效应变也随着增大;当薄膜表面出现裂纹时,裂纹密度的大小取决于薄膜的厚度和加载应变的大小。
关键词：纳米薄膜;金属薄膜;分叉;断裂;拉伸;微机电系统

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发布时间：2020-08-12
基于GRIN镜头的小型OCT探头的数值分析
王驰,毛幼馨,唐智,方臣,于瀛洁,齐博
2011, 19(9): 2300-2307. DOI: 10.3788/OPE.20111909.2300

摘要：利用光学软件GLAD的数值仿真技术设计了用于光学相干层析技术成像的基于梯度折射率(GRIN)镜头的小型化探头。首先,简述了梯度折射率镜头的基本特性,讨论了基于梯度折射率镜头的光学探头的设计方法;然后,对由单模光纤、玻璃棒隔片和梯度折射率镜头构成的探头模型进行了仿真。结果显示,利用GLAD的数值仿真技术为小型化探头的设计及其光学性能的验证提供了一种直观而有效的方法。另外,玻璃棒隔片存在一个适当的长度范围,可以改善设计的光学探头的传光性能。在所给仿真条件下,如设定梯度折射率镜头长0.1 mm、玻璃棒隔片长度为0.8~1.1 mm,则探头的工作距离将超过1.0 mm,而聚焦光斑的尺寸<40 μm。
关键词：光学相干层析术;小型探头;GRIN镜头;GLAD

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2011年9月第19卷第9期目次

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