English Version Light学术出版中心

最新刊期

2022 年第 15 期

平面光学元件的设计、制造及应用

超构表面在三维成像与显示技术中的应用
池汉彬,段辉高,胡跃强
2022, 30(15): 1775-1801. DOI: 10.37188/OPE.20223015.1775

摘要：三维成像与显示技术能获取并保存物体的空间三维信息并呈现出立体逼真的画面，在消费电子、自动驾驶、机器人视觉以及增强现实及虚拟现实等领域有广阔的应用前景。现有的三维成像与显示设备受到传统光学元件性能缺陷的限制，难以同时满足宽视场、大数值孔径、高分辨率、连续视差和小型化等性能要求。超构表面作为亚波长结构单元排布组成的新型平面光学元件，能对光场进行灵活调控，具有多功能、易集成、轻薄化和紧凑化的优势，有望突破传统光学元件的瓶颈，为实现多功能紧凑型的三维成像与显示设备提供可能。本文综述了超构表面在三维成像与显示技术中的研究进展，详细介绍了超构表面在主动式和被动式的三维成像技术，以及全息显示、光场显示和近眼显示的三维显示技术中的应用和表现，最后总结和展望了超构表面在三维成像与显示领域的挑战和未来发展方向。
关键词：超构表面;光学元件;三维成像;三维显示;多功能;紧凑化

706

|

451

|

0

<HTML>
<网络PDF><WORD><Meta-XML>

<引用本文> <批量引用> 29126478 false

发布时间：2022-08-16
基于纤端超表面的多功能化纤上实验室器件制备研究进展
刘银,廖启明,黄玲玲
2022, 30(15): 1802-1814. DOI: 10.37188/OPE.20223015.1802

摘要：多功能高集成化全光纤器件促进了纤上实验室技术（Lab on fiber）的发展。制造阶段的快速进步为多功能即插即用光纤平台开辟了新的途径，研究人员致力于探索和优化纤上实验室器件制备技术以展示纤上实验室元件在许多应用场景中的潜力。回顾了纤上实验室传感技术的分类并对纤端微纳结构的制备工艺进行了总结，包括物理和化学加工方法，随后讨论了基于纤端超表面的纤上实验室器件制备技术的研究进展以及技术发展过程中存在的难点和要点，阐明了构建多功能高集成度多应用场景的纤上实验室传感器件的策略。纤上实验室技术已经取得了显著的成果，这表明多功能高集成化全光纤器件未来能够在物理和生化参数监测、微粒捕获及光场调控等众多场景中发挥核心作用。
关键词：光纤传感;超表面;纤上实验室技术;纳米制造

208

|

38

|

0

<HTML>
<网络PDF><WORD><Meta-XML>

<引用本文> <批量引用> 29126438 false

发布时间：2022-08-16
衍射光学元件成套制造技术研究进展
谢常青
2022, 30(15): 1815-1827. DOI: 10.37188/OPE.20223015.1815

摘要：从图形数据处理、先进光刻、图形转移和大面积高可靠集成4方面开展衍射光学元件关键制造技术研究。在兼容标准CMOS工艺的基础上，提出了高精度、多功能（高保真、高深宽比、高面形、多元化衬基等）、大面积衍射光学元件成套制造技术。研发了精度优于2 nm的复杂图形光刻数据处理体系，提出了混合光刻方法，建立了加法（剥离、电镀）和减法（干法刻蚀、金属辅助化学刻蚀）两种类型、四种图形转移基础方法。实现了从微米尺度到亚10 nm尺度的图形生成，高宽比达12∶1的25 nm Au结构和深宽比达500∶1的30 nm Al₂O₃纳米管图形转移。在熔石英、多层膜、SiC自支撑薄膜、高面形硅片等衬基上大面积集成制造了多种衍射光学元件，最大面积为142 mm×142 mm，最大自支撑口径达70 mm，最高面形精度PV值达0.03λ，覆盖了可见光到硬X射线波段衍射光学元件的制造需求，能够应用于先进光刻机、同步辐射、激光聚变及X射线天文学中。
关键词：衍射光学元件;先进光刻;标准CMOS工艺;GDSII数据处理;图形转移

196

|

76

|

0

<HTML>
<网络PDF><WORD><Meta-XML>

<引用本文> <批量引用> 29126201 false

发布时间：2022-08-16
大口径微纳结构平面光学元件的优化
曹鑫蕊,刘卫国,周顺,孙雪平,朱业传
2022, 30(15): 1828-1835. DOI: 10.37188/OPE.20223015.1828

摘要：由微纳结构阵列构建的超构透镜体积小、质量轻，通过复合结构可实现多功能化设计，其口径一般为微米量级，对于诸如厘米级口径的超构透镜，其含有的微纳结构单元数量达到数十亿个。如果采用逐一建模的方式绘制这些微纳结构，必然导致版图文件过大，以至图形绘制时间长以及版图无法打开。为了解决此问题，基于版图设计软件L-Edit提出环状布局的超构透镜设计方法，采用二进制与库调用相结合的方法绘制超构透镜每个圆环中构建单元阵列，从而实现大口径超构透镜版图文件的有效压缩。研究结果表明：设计的超构透镜实现了亚波长聚焦；针对口径为50 mm的超构透镜，利用本文提出的版图绘制压缩方法，其版图文件大小为176 MB，远小于采用逐一建模绘制方式生成的版图文件（3.70 TB），实现了大口径超构透镜版图设计文件海量数据的高效压缩，从而保证了大口径超构透镜元件设计的可制造性。
关键词：超构透镜;大口径;版图设计;数据压缩

197

|

55

|

0

<HTML>
<网络PDF><WORD><Meta-XML>

<引用本文> <批量引用> 29126229 false

发布时间：2022-08-16
相位调制实现变参量光栅结构的干涉光刻
路畅,许峰川,许宜申,陈林森,叶燕
2022, 30(15): 1836-1844. DOI: 10.37188/OPE.20223000.0144

摘要：几何相位的超表面透镜不同于传统折射透镜，相位波前的调制并不依赖于传播过程的累积相位，而是通过空间变化的单元结构改变局域偏振态，引入共轭的附加相位使光束聚焦。为了实现几何相位超透镜变参量结构的干涉制备，提出了空间变参量相位元件调制的傅里叶变换光学系统，利用4f光路的傅里叶变换原理以及相位元件衍射光线的几何传播特性，分析了相位元件空频、取向以及分布区域等对系统成像面光场特性的影响，阐明了空间变参量相位元件分段调制入射光，同时生成多个干涉光场实现变取向、变周期微米结构的制备方法。在此基础之上，利用设计制备的变参量相位元件，生成了圆、环分布下变参量干涉光场，制备了变取向、变周期，半径为1 892 μm的微米光栅结构，光栅取向为0°，125°，235°，周期分别为7.22，6.51，5.78 μm。该系统光路简单，易与投影曝光相集成，为基于空间变参量结构单元的几何相位超透镜的制备提供了一种新的途径。
关键词：干涉光刻;4f光学系统;空间变参量;相位调制

187

|

30

|

0

<HTML>
<网络PDF><WORD><Meta-XML>

<引用本文> <批量引用> 28394600 false

发布时间：2022-08-16
红外光学微结构表面的高效自适应飞刀切削
李佩铮,杜雪,孙占文,王素娟,徐诗俊
2022, 30(15): 1845-1856. DOI: 10.37188/OPE.20223015.1845

摘要：为了实现红外光学微结构表面的高效、高精度、低损伤加工，提出了一种超精密自适应飞刀切削方法，并进行了实验验证。根据飞刀切削的运动学特性，建立了飞刀切削塑性加工模型。以最大切屑厚度始终小于脆塑转变临界为原则，根据微结构表面的局部形貌特征，采用迭代算法规划出具有动态变化进给速度的刀具轨迹。最后，将所提出方法与传统飞刀切削方法进行对比实验，验证了所提出自适应飞刀切削方法的有效性。通过实验成功在单晶硅材料上加工了无脆性断裂的微沟槽，表面粗糙度达到18 nm。与传统飞刀切削方法相比，超精密自适应飞刀切削方法在不降低进给速度的前提下，避免了脆性断裂，加工效率是传统方法的2.5倍。
关键词：红外光学材料;超精密飞刀切削;微结构;自适应调速;加工效率

169

|

41

|

0

<HTML>
<网络PDF><WORD><Meta-XML>

<引用本文> <批量引用> 29126409 false

发布时间：2022-08-16
熔石英玻璃高效低缺陷磁辅助抛光
叶卉,李晓峰,崔壮壮,姜晨
2022, 30(15): 1857-1867. DOI: 10.37188/OPE.20223015.1857

摘要：为了实现熔石英元件的高效低缺陷加工，研究了基于磁辅助抛光技术的元件材料去除特性和表面质量形成机制。采用不同抛光间隙和不同铁粉体积比的磁性抛光液对研磨后的熔石英元件进行磁辅助抛光，并对元件材料去除率、抛光斑轮廓、表面粗糙度和透过率进行评价，结合空间磁感应强度仿真和抛光压力分析，确定加工参数对元件加工效率和表面质量的影响规律。结果表明：材料深度去除率随空间磁感应强度的增强呈幂函数上升且随抛光液中铁粉体积比增加而显著提升，低空间磁场强度和低铁粉体积比的抛光液有利于促进以化学去除为主的磁辅助弹性抛光从而获得光洁表面。小抛光间隙（0.5 mm）及高铁粉体积比（14.18%）的抛光液可实现最大材料深度去除率0.439 2 μm/min和体积去除率1.49×10^-⁴ mm³/min，大抛光间隙（1.5 mm）及低铁粉体积比（9.93%）的抛光液能够获得粗糙度R_a低至8.1 nm的光滑表面。
关键词：磁辅助抛光;抛光间隙;铁粉体积比;材料去除率;粗糙度

165

|

33

|

0

<HTML>
<网络PDF><WORD><Meta-XML>

<引用本文> <批量引用> 29126394 false

发布时间：2022-08-16

信息科学

可见光视频去噪及其FPGA硬件实现
赵思娴,万敏杰,钱惟贤,周琳,韶阿俊,陈钱,顾国华
2022, 30(15): 1868-1879. DOI: 10.37188/OPE.20223015.1868

摘要：在静止场景下普通的图像滤波算法就能够有效抑制噪声，而在运动状态下，现有的滤波算法难以保证去噪的有效性，还会产生拖尾现象；采用运动补偿的滤波算法，又无法有效地抑制噪声。针对以上问题，提出一种基于时空域滤波的视频去噪算法，并在现场可编程逻辑门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA）平台上实现。该算法主要运用高斯差分滤波提取图像特征，再用空域滤波抑制高频噪声，采用反馈的方式对分割出的图像区域采用不同的去噪策略。硬件实现的关键是利用高层次综合（High-level Synthesis，HLS）工具简化编程、DDR3控制模块操作视频流在各模块间输入输出。实验结果表明：该算法能有效去噪，不同场景下，相比基于非下采样轮廓波变换的去噪算法，峰值信噪比最多可提升15 dB；将算法移植到FPGA后，峰值信噪比相比于MATLAB软件仿真相差约0.3 dB，运行时间缩短71.5%以上，在兼顾实时性的同时达到了较好的可见光视频去噪效果。
关键词：图像处理;视频去噪;可见光;现场可编程逻辑门阵列;运动补偿;高斯差分滤波

205

|

59

|

0

<HTML>
<网络PDF><WORD><Meta-XML>

<引用本文> <批量引用> 29126305 false

发布时间：2022-08-16
小波多重分形遥感图像混合去噪
成丽波,李昂臻,贾小宁,李喆
2022, 30(15): 1880-1888. DOI: 10.37188/OPE.20223015.1880

摘要：为了去除遥感图像的混合噪声，建立了小波多重分形去噪算法。该算法主要利用小波分析进行信号分解，多重分形提取图像特征。通过小波分解进行图像分解时，利用小波半软阈值指数衰减阈值法进行加性噪声初步处理。采用多重分形理论，找出含噪图像的多重分形谱，并构造偏移算子 $O$ 对加性噪声进行二次处理。利用方向梯度与二维掩码层进行逐像素乘法获得稀疏梯度集，重建去噪图像。最后，计算出去噪图像的评价指标数值，根据数值分析评价去噪效果。实验结果表明：对6幅随机添加噪声的图片进行去噪，去噪图像的峰值信噪比最高为26.700 $d B$ ，边缘保持指数最高为0.449。该方法能够有效去除遥感图像的混合噪声，基本满足遥感图像混合去噪的可视性，细节留存等要求。
关键词：图像处理;遥感图像去噪;多重分形;半软阈值;小波分析

148

|

29

|

0

<HTML>
<网络PDF><WORD><Meta-XML>

<引用本文> <批量引用> 29126334 false

发布时间：2022-08-16
面向高光谱图像分类的半监督双流网络
黄鸿,张臻,嵇凌,李政英
2022, 30(15): 1889-1904. DOI: 10.37188/OPE.20223015.1889

摘要：为了提取高光谱图像中的深度鉴别特征，往往需要大量标记样本，但是高光谱图像样本标定困难，基于高光谱图像的“图谱合一”特性提出一种基于深度-流形学习的半监督双流网络。该网络用卷积网络和神经网络分别提取少量标记样本以及大量无标记样本中的空-谱联合特征，然后分别构建基于监督图和非监督图的流形重构图模型，以挖掘其中的本征流形结构。在此基础上设计了基于均方误差和流形学习的联合损失函数，以协同度量流形边界和空-谱概率残差，实现双流网络的一体化反馈和优化，进而实现地物分类。在WHU-Hi龙口和黑河高光谱数据集上实验的总体分类精度分别达到97.53%和96.79%，有效提升了地物分类能力。
关键词：高光谱遥感;地物分类;特征提取;图嵌入;流形学习;半监督学习

174

|

38

|

0

<HTML>
<网络PDF><WORD><Meta-XML>

<引用本文> <批量引用> 29126515 false

发布时间：2022-08-16

加载中...

⁰