最新刊期
      2023 年 第 15 期

        现代应用光学

      • 陈逸飞,史上清,恽斌峰
        2023, 31(15): 2161-2170. DOI: 10.37188/OPE.20233115.2161
        摘要：光开关切换延时线芯片中各光开关的驱动电压标定和控制需使用多通道光功率计、可编程多通道电压源阵列等分立仪器，存在成本高、扩展困难的问题。设计并制作了一套低成本、易扩展的光开关切换延时线自动标定与控制系统，其中多通道光功率计模块可探测-53~-7.7 dBm内的光功率，误差小于0.5 dB；多通道电压输出模块可高精度稳定输出0~10 V的直流电压，输出电压波动小于±0.5 mV；使用单片机控制各模块协同工作并连接上位机实现人机交互。使用本系统对5-bit光开关切换延时线进行了自动标定和控制，结果显示，在32级延时状态下，延时线芯片输出端的透射光谱在1 560 nm波长附近的波动均小于1 dB，对应的延时步进为3.110 9 ps/state。该结果与商用仪器标定电压下测得的3.062 0 ps/state的延时步进高度吻合。本文设计制作的标定与控制系统精度高、成本低、扩展性强，具有很高的应用价值。  
        关键词：微波光子学;集成光学;光开关切换延时线;光开关;标定;自动化   
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        发布时间：2023-08-28
      • 王驰,任丹阳,陈金波,张帅帅,孙建美
        2023, 31(15): 2171-2180. DOI: 10.37188/OPE.20233115.2171
        摘要：为研制适用于扫频光学相干断层成像（Swept Source Optical Coherence Tomography，SS-OCT）系统的高性能侧视型全光纤镜头，分析了侧视型光纤镜头的性能影响因素及样品制作方法。对基于梯度折射率（Graded- Index，GRIN）光纤的侧视型全光纤镜头的光学模型进行解析，得出与侧视型全光纤镜头性能相关的特征参数。研究了“单模光纤+无芯光纤+GRIN光纤+转角介质”四段式侧视型镜头各组件长度对其光学聚焦性能的影响，设计各组件的适宜长度范围。最后，制作了外径小至0.5 mm、刚性长度2.75 cm的超小侧视型全光纤镜头样品，通过实验测得镜头的工作距离（0.52 mm）和光斑直径（26.82 μm），与理论分析结果基本一致，并将镜头样品集成于SS-OCT成像系统，获得了清晰的生物组织层析图像。实验结果表明，本文提出的分析方法可用于侧视型全光纤成像镜头结构参数的优化设计。  
        关键词：光学相干断层成像;光纤镜头;梯度折射率光纤;侧视成像   
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        发布时间：2023-08-28
      • 张聪立,周俊焯,纵园,郝佳,虞益挺
        2023, 31(15): 2181-2192. DOI: 10.37188/OPE.20233115.2181
        摘要：太阳耀光干扰严重阻碍遥感领域中目标信息的有效提取，为实现复杂海面背景中水下军事目标的全天候全天时监测，针对无人机载平台，提出基于偏振信息的海面太阳耀光抑制方法。利用太阳耀光和目标信息光的偏振特性差异构建光成分解耦分离模型、选择非饱和偏振图像组解算场景全域偏振信息，使用穆勒矩阵形式的太阳耀光归一化反射率求解太阳耀光的偏振态空间分布；提出光源-水下目标-探测器偏振态传输模型以求解目标信息光偏振度，并根据被动水下成像物理模型，利用水体衰减系数对目标信息光偏振度进行修正；最终实现波动水面的反射太阳耀光抑制。实验结果表明：对于户外真实波动水面场景，耀光抑制图像的区域对比度和图像信杂比相较于90°偏振图像分别提升25.3%和78.4%。本文方法可有效增强太阳耀光干扰下的水下目标表征，从而助力我国挺进深蓝、向海而兴。  
        关键词：偏振成像;海洋强国;太阳耀光;杂波抑制;航空遥感   
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        发布时间：2023-08-28
      • 孟语璇,董登峰,周维虎,纪荣祎,朱志忠
        2023, 31(15): 2193-2202. DOI: 10.37188/OPE.20233115.2193
        摘要：相位测距是一种非常重要的绝对测距手段，是大尺寸精密测量的重要保障。提高激光调制频率并采用高性能器件实现高频采样分析是提升相位激光测距精度最有效的方式之一。针对高性能器件的最大采样频率总是受限，难以满足高调制频率采样的难题，分析验证了欠采样方法用于相位测距的可行性，同时仿真分析了全相位傅里叶频谱分析法（all-phase Fast Fourier Transform，apFFT）提高鉴相精度的优势。在此基础上，提出“欠采样+ apFFT”的方法，并构建了激光相位测距的鉴相系统。当调制频率为201 MHz，欠采样频率为100 MHz时，系统鉴相精度高于±0.04°，对应的测距精度为±0.08 mm。实验结果表明，基于“欠采样+apFFT”的相位测距方法具有高精度、抗干扰能力强等优势，在科学研究与工程应用中具有重要价值。  
        关键词：相位测距;欠采样;全相位频谱分析法;高精度;鉴相系统   
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        发布时间：2023-08-28

        微纳技术与精密机械

      • 王鑫,龚峰,张志辉,杨高
        2023, 31(15): 2203-2217. DOI: 10.37188/OPE.20233115.2203
        摘要：热压印技术是实现高性能玻璃微光学元件低成本绿色制造的有效途径，但是，由于加热冷却周期较长，温度均匀性不高，其制造效率和成型质量被限制。因此，有必要开发高温快速均匀加热模块，实现高效高质热压印成型。首先，基于氮化硅陶瓷加热片设计制造加热模块，搭建加热测试平台，实现加热模块表面温度分布的实时监测；然后，开展恒电压加热重复性测试，评估实验结果的可靠性；接着，建立和修正加热模块恒电压加热有限元仿真模型，并结合有限元仿真模型和正交试验法对加热模块结构进行优化，以提高加热速率和温度均匀性。实验结果表明：优化后的加热模块不仅加热速率快，而且温度分布均匀。进行180 s恒电压加热测试时，加热模块的升温速率可达363 ℃/min，表面温差为10.7 ℃。对加热模块进行700 ℃控温加热时，实测温度曲线与设定温度曲线基本一致，温度波动在0.3 ℃以内，尤其中心20 mm×30 mm区域的温差在2 ℃左右。最后，将高温快速均匀加热模块集成于热压印装置，实现了N-BK7玻璃微结构阵列的高效率高质量热压印成型。  
        关键词：热压印;加热;温度均匀性;有限元仿真;正交试验   
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        发布时间：2023-08-28
      • 吴劲斌,颜国正,文人庆,王志武,庄浩宇
        2023, 31(15): 2218-2226. DOI: 10.37188/OPE.20233115.2218
        摘要：为实现胃肠道胶囊机器人多维无线能量传输，减小接收线圈的绕制维度、体积与产热，设计了一种双维正交矩形螺线管对发射线圈结构。可通过控制不同组发射线圈的电流来改变合成磁场方向，同时该结构发射线圈内部可嵌入磁芯，其线圈间距也可根据检测者体型灵活调整，减小功率损耗。建立了所构建无线能量传输系统的理论模型，通过有限元仿真验证磁芯对系统性能的提高，最后通过搭建实验平台进行测试，优化了单维接收线圈的参数，同时实验验证了该系统在不同发射线圈间距下的可行性。实验结果表明，在线径为0.05 mm的条件下，所构建系统接收线圈的最佳绕制股数为12，优化后的匝数为120。当发射电压为15 V，发射线圈间距为300 mm的条件下得到的中心最小接收功率为1 578 mW，能量传输效率为3.85%。该系统在300~500 mm发射线圈间距下均可满足胶囊机器人的功率需求。  
        关键词：无线能量传输;胶囊机器人;发射线圈;接收线圈   
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        发布时间：2023-08-28
      • 李政昊,吕枭,李寰,成龙,周文超,吴一辉
        2023, 31(15): 2227-2235. DOI: 10.37188/OPE.20233115.2227
        摘要：内部联通蜂窝状结构在组织工程、细胞培养、流体扩散、材料热扩散和表面科学等领域都具有十分重要的应用。采用两步刻蚀的方法，即各向异性与各向同性刻蚀相结合的方法，通过控制刻蚀参数（气体流量、释放周期、刻蚀功率、内部压强、硅材料刻蚀温度）在接近10 mm2面积上得到数量在2.2×105~9.5×105内，不同间距的硅材料内部联通蜂窝结构。电感耦合等离子体（ICP）使用的Bosch刻蚀法用于各向异性硅蚀刻，通过在氟碳等离子体下表面沉积聚合物，可以降低侧壁刻蚀效率，使结构具有垂直侧壁的高展弦比。在不施加保护气等离子体的条件下，ICP可以作为气体各向同性刻蚀设备，基于ICP的各向同性刻蚀能力相对于各向异性刻蚀具有硅刻蚀率高、可控性好、刻蚀选择性高等优点。该方法可以实现对硅基材料上的内联通蜂窝结构制备，能够精确地控制蜂窝结构的间距，均一性良好，并且可以快速大面积制备，具有步骤简单、制备周期短等优点。  
        关键词：各向同性刻蚀;蜂窝结构;内部联通;刻蚀速率   
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        发布时间：2023-08-28
      • 朱志远,朱紫辉,周晓勤,朱利民,朱志伟
        2023, 31(15): 2236-2247. DOI: 10.37188/OPE.20233115.2236
        摘要：三轴快速刀具伺服（Fast Tool Servo， FTS）具有更高的刀具空间运动柔性，逐渐用于复杂光学曲面和微纳结构表面的切削加工。针对所研制电磁-压电混合驱动三轴FTS存在的轴间耦合、高频谐振和迟滞非线性等因素对轨迹跟踪性能的影响，研究综合补偿策略实现三轴空间轨迹的高性能跟踪控制。以陷波滤波器抑制系统高频谐振，以前馈解耦补偿弱化平面轴间耦合；针对法应力电磁驱动和压电驱动的迟滞非线性，提出以线性动力学模型级联Prandtl-Ishlinskii模型描述各轴的动态迟滞特性，并构建无需直接求逆的迟滞前馈补偿模型，实现系统的迟滞非线性补偿。谐波扫频测试结果表明：所采用的陷波滤波器可以很好地消除高频谐振，前馈解耦补偿可将平面XY轴间的耦合幅值降低约14 dB。宽频域内迟滞建模结果表明：平面XY轴和Z轴的动态迟滞建模误差分别小于±2.2%和±1.8%。以PID为主控制器，对宽频谐波（10~100 Hz）的跟踪结果表明：采用综合补偿策略获得各轴的最大跟踪误差约为仅采用逆动力学前馈补偿的25%~50%，进一步对空间螺旋球面轨迹进行了跟踪测试，证明了所构建的综合补偿控制策略的有效性。  
        关键词：快速刀具伺服;轨迹跟踪控制;陷波滤波器;前馈解耦补偿;动态迟滞模型   
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        发布时间：2023-08-28
      • 于苗苗,翁占坤,王冠群,郭川川,胡俊廷,王作斌
        2023, 31(15): 2248-2259. DOI: 10.37188/OPE.20233115.2248
        摘要：为了实现大面积图案化铜微纳结构的制备，基于液相下激光烧蚀技术，以硅片为衬底，将其浸没在含有Cu2O微米粒子的乙醇溶液中，采用纳秒脉冲激光进行加工。研究了激光功率、扫描速度和扫描次数对铜微纳结构的影响，分析了图案化铜微纳结构的形成机制，并研究了图案化铜微纳结构的浸润特性。扫描电子显微镜结果表明，随着激光功率、扫描速度和扫描次数的增加，图案化铜微纳结构中的铜颗粒熔融现象加剧，光斑中心区域的纳米颗粒粒径逐渐增大，光斑交界处形成呈现周期性分布的微米量级单元结构。能量色散X射线光谱证明少量Cu元素分布在光斑中心区域，大量Cu元素集中在光斑交界处。随着扫描次数的增加，样品表面粗糙度和纯净水/食用油接触角均呈现先上升后下降的趋势。当扫描次数为6时，表面平均粗糙度为（1.3±0.11）μm，纯净水接触角可达（155.2±1.5）°，食用油接触角达（100.0±1.3）°。该大面积图案化铜微纳结构制备方法简单快速，无粉尘污染，在微流体芯片、集水系统和废水处理等领域具有广泛的应用前景。  
        关键词：激光烧蚀;图案化铜微纳结构;浸润特性;二元结构   
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        发布时间：2023-08-28

        信息科学

      • 丰宗强,应一鹏,章甫君,于勇波,刘毅
        2023, 31(15): 2260-2272. DOI: 10.37188/OPE.20233115.2260
        摘要：金刚线断线检测是金刚线生产过程中的重要环节。针对现有接触式检测敏感度低、断线反馈滞后等问题，提出了一种基于机器视觉检测强光下金刚线反射的光斑点的非接触式断线检测方法。在金刚线光斑点检测的嵌入式平台上，针对传统图像处理的光斑点检测操作复杂、易受外部光照影响的局限性，研究了基于深度学习的光斑点目标检测，对多种Yolo系列模型进行了训练部署，针对原有模型网络层次较深、模型体积较大，在嵌入式设备中存在检测实时性较差的问题，提出了一种基于Yolox改进的轻量化目标光斑点检测模型MCA-Yolox，利用MobileNetV3轻量化特征提取网络替换Yolox模型的主干特征提取网络，对模型进行轻量化改进，然后利用深度可分离卷积和倒残差结构对加强特征提取网络进行了轻量化改进。结合CA注意力机制提高了轻量化模型的检测精度。最后，将改进后的模型部署于嵌入式平台。实验结果表明，改进后模型MCA-Yolox的大小和运算量减小到Yolox模型的1/3以下，与同样规模的Yolox-Tiny和Yolov4-Tiny相比具有更高的检测精度，模型的mAP提升了1%以上，加速优化后检测速度可达30 frame/s，提供了一种基于深度学习检测金刚线断线的完整工业检测方案。  
        关键词：机器视觉;金刚线;断线检测;光斑点;深度学习;嵌入式   
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        发布时间：2023-08-28
      • 寇旗旗,李超,程德强,陈亮亮,马浩辉,张剑英
        2023, 31(15): 2273-2286. DOI: 10.37188/OPE.20233115.2273
        摘要：针对全局和局部高低频空间信息利用不足而导致重建图像纹理细节模糊的问题，提出一种基于注意力和宽激活密集残差网络的图像超分辨率重建模型。首先，四个不同尺度且平行的卷积核被用来充分提取图像低频特征作为空间特征转换的先验信息。在深层特征映射模块中构建融合注意力的宽激活残差块，并利用低频先验信息来引导高频特征的提取。该宽激活残差块通过扩大激活函数前的特征通道数来提取更深层次的特征图，且所构造的全局和局部残差连接在加强残差块和网络特征前向传播的同时，在不增加参数情况下使得所提取特征的多样性更加丰富。最后，对得到的特征图进行上采样和重建以得到清晰的高分辨率图像。实验表明，所提算法在BSD100数据集上4倍超分辨率时，相比LatticeNet模型的PSNR指标提升了0.14 dB，SSIM提升了0.001，在主观视觉方面，重建出的图像局部纹理细节也更加清晰。  
        关键词：残差网络;超分辨率;宽激活;注意力机制;密集连接   
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      • 张丽娟,胡梦达,张紫薇,姜雨彤,李东明
        2023, 31(15): 2287-2294. DOI: 10.37188/OPE.20233115.2287
        摘要：针对卷积网络模型的稳定性能较差，对抗训练方法会使得网络结构过于复杂并占用大量运算资源的问题，提出了一种基于人体视觉神经系统生物特征的卷积神经网络模型改进方法（VVNet）。在卷积神经网络的基础上，融合人体视觉的结构特征，在不增加网络层数或保持准确率不变的情况下，提高神经网络面对噪声干扰的稳定性。在数据集Cifar10上对3种不同神经网络模型（VVNet，VOneNet以及原网络模型）进行测试。实验结果表明，使用VVNet网络模型、VOneNet网络模型和原始的网络模型DenseNet121对四类图像（噪声图像、模糊图像、遮挡图像和饱和曝光图像）的分类准确率进行对比，验证了提出的VVNet网络结构对不同类型图像的分类准确率几乎不变，在使用对抗样本情况下，VVNet网络结构的图像分类准确率提高了约10%。与深度学习网络相比，基于人体视觉系统结构的网络能够在保持准确率的同时有效地提高神经网络的稳定性，并具有可移植性。  
        关键词：计算机视觉;机器学习;图像识别;视觉皮层   
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        发布时间：2023-08-28
      • 黄泽贤,吴凡路,傅瑶,张雨,姜肖楠
        2023, 31(15): 2295-2318. DOI: 10.37188/OPE.20233115.2295
        摘要：海面舰船目标检测是遥感图像处理和模式识别领域备受关注的重点研究方向，对舰船目标的自动检测在民用和军用方面都具有重大意义。梳理和分析了典型基于深度学习的目标检测算法的优缺点，并进行了对比和总结；归纳了基于深度学习的舰船目标检测的技术现状，并从多尺度检测、多角度检测、小目标检测、模型轻量化和大幅宽遥感图像舰船目标检测等方面对技术现状进行了详细的介绍。最后，介绍了舰船目标识别算法常用的评价标准和现有的舰船图像数据集，探讨了遥感图像舰船目标检测算法现在所面临的问题和未来的发展趋势。  
        关键词：遥感图像;舰船目标检测;卷积神经网络;图像数据集   
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