最新刊期
      2024 年 第 32 卷 3 期

        现代应用光学

      • 陈祥,刘浩,姚路,许振宇,胡迈,阚瑞峰
        2024, 32(3): 317-323. DOI: 10.37188/OPE.20243203.0317
        摘要：提出了基于光强非线性响应的光致热弹光谱光强修正方法，实现了激光光强的准确修正。控制DFB激光器工作于波长调制模式，设置激光调制频率为16 369.75 Hz，通过光纤放大器增强其出射光强非线性项的幅值，光束经多次反射池后汇聚于石英音叉根部激发光热信号，采用数字锁相放大器解调得到对应的谐波信号，通过多项式拟合谐波信号背景，反演得到与浓度及光强分别对应的谐波信号。实验结果表明，当光强从22.03 mW变化至3.16 mW，谐波信号背景幅值与光强具有良好的线性关系，线性相关系数大于0.998，归一化后的谐波信号幅值波动小于0.37%。针对甲烷测量，系统在较大的浓度范围内具有良好的线性响应，谐波信号信噪比表明系统的最低检测限达0.22×10-6。该研究为光致热弹光谱的光强修正提供了一种新的方法，可有效提高LITES系统在长期测量应用中的稳定性。  
        关键词：光致热弹光谱;谐波信号;非线性响应;多项式拟合;光强修正   
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        发布时间：2024-02-22
      • 周旻超,王振亚,方懿,罗刚银,张哲,孙晓洁
        2024, 32(3): 324-332. DOI: 10.37188/OPE.20243203.0324
        摘要：为了满足荧光显微镜技术对多波长单模耦合输出激光的需求，研究了400~680 nm内多波长激光耦合进单模光纤的技术，设计了三片式耦合透镜组很好地消除了不同波长耦合时的色差以提高耦合效率，同时考虑光纤耦合调试难度大的问题，设计了能快速简单完成耦合调节的耦合光纤部件结构以及耦合调试的方法，通过实验测试荧光成像常用的4种波段激光（405，488，561，638 nm），耦合效率均大于65%。实验结果达到了较高的光纤耦合水平，证明该多波长激光耦合器性能优异。同时，由于耦合器装调简单且成本低，本文的工作具有进一步商业化的价值，且为多波长单模耦合激光器国产化打下了坚实的基础。  
        关键词：荧光显微技术;单模激光耦合;多波长激光;光纤耦合   
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        发布时间：2024-02-22
      • 廖德锋,张明壮,谢瑞清,赵世杰,许乔
        2024, 32(3): 333-343. DOI: 10.37188/OPE.20243203.0333
        摘要：全口径环形抛光是加工大口径平面光学元件的关键技术之一，其瓶颈问题是元件面形的高效高精度控制。通过研究元件面形的影响因素及其控制方法从而提升其确定性控制水平。围绕影响面形误差的运动速度、抛光盘表面形状误差和钝化状态等关键工艺因素，建立基于运动轨迹有效弧长的环形抛光运动学模型，揭示了抛光盘表面开槽槽型对面形误差的影响规律；提出了采用位移传感器以螺旋路径扫描抛光盘表面并通过插值算法生成其形状误差的方法，建立基于小工具的子口径修正方法，实现了抛光盘形状误差的在位定量修正；提出抛光盘表面钝化状态的监测方法，研究了抛光盘表面钝化状态对面形误差的影响规律。结果表明：抛光盘表面开槽采用环形槽时元件表面容易产生环带特征，采用径向槽、方形槽和螺旋槽时元件表面较为匀滑；通过在位定量检测和修正抛光盘形状误差，可显著提升元件的面形精度；随着抛光盘表面的逐渐钝化，元件面形逐渐恶化。在研制的5 m直径大口径环形抛光机床上加工800 mm×400 mm×100 mm平面元件的面形PV值优于λ/6（λ=632.8 nm），提升了元件的面形控制效率和精度。  
        关键词：光学加工;全口径环形抛光;面形误差;影响规律;控制方法   
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        发布时间：2024-02-22
      • 莫嘉嗣,陈健欢,温远航,梁杰俊,陈秋烁,闫国琦
        2024, 32(3): 344-356. DOI: 10.37188/OPE.20243203.0344
        摘要：为实现机器人末端位姿多自由度实时测量反馈，融合一维光学位置传感器（Position Sensitive Detector，PSD）建立了平面3自由度非接触测量系统，对其测量原理，信号处理电路，环境光干扰去除和非线性标定算法等进行研究。根据PSD传感器测量特性和平面3自由度测量要求设计了4-PSD测量系统，并建立测量系统数学模型。研究了PSD传感器的信号处理电路，通过运放和除法器实现了单个PSD的信号处理，结合单片机与A/DC采样电路，实现了上位机的高频率信号采集。对4-PSD测量系统进行预实验，为消除环境光干扰，通过激光调制和数字滤波等方法进行验证。最后，通过激光位移传感器标定4-PSD测量系统，介绍了4-PSD的标定步骤（原点、转角、长度和二阶非线性标定），测定了系统标定后的误差分布。该测量系统具有较高的测量频率（50 Hz）。标定实验结果表明：标定后的4-PSD测量系统在70 mm×70 mm内，测量精度平均为0.49 mm，比标定前降低了90%的误差，能满足大部分高速、高精度机器人末端的非接触式实时测量反馈需求。  
        关键词：光学位置传感器;位姿测量;实时反馈;测量标定   
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        发布时间：2024-02-22
      • 周志鹏,楼盈天,王升帆,陈宇,陈本永
        2024, 32(3): 357-365. DOI: 10.37188/OPE.20243203.0357
        摘要：针对激光外差干涉仪测量过程中测量镜随被测对象旋转而导致的位移测量误差，提出了一种基于卡尔曼滤波的激光外差干涉位移测量补偿方法。根据测量镜转角和测量光束光斑位置变化对应关系，利用位置敏感探测器（PSD）和位置电压信号卡尔曼滤波方法测得降噪后的光斑位置变化，从而获得更为准确的转角测量结果，最后根据转角与位移的解耦数学模型利用测得的转角进行位移补偿。为验证滤波算法和位移补偿方法的可行性和有效性，搭建激光外差干涉测量实验装置，分别进行光斑位置稳定性测量实验、角度测量验证实验和激光外差干涉位移测量补偿实验。实验结果表明：经卡尔曼滤波降噪后系统装置测得的光斑位置抖动标准差从0.52 μm降至0.18 μm，测量的转角与索雷博六自由度转台的转角偏差在±1.38×10-4°内，对M-531.DD线性导轨200 mm量程内的位移和转角进行测量，将测得的转角进行位移补偿后，系统的位移测量结果与M-531.DD线性导轨位移的标准差从1.55 μm减小到0.29 μm。  
        关键词：激光外差干涉;位移测量;误差补偿;卡尔曼滤波   
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        发布时间：2024-02-22

        微纳技术与精密机械

      • 王晓光,温秋玲,陈金鸿,黄国钦,崔长彩,姜峰
        2024, 32(3): 366-380. DOI: 10.37188/OPE.20243203.0366
        摘要：激光诱导等离子体刻蚀技术在蓝宝石表面微结构制作方面具有独特的优势。通过控制变量法研究了激光能量密度、靶材和蓝宝石之间的距离和扫描速度对激光诱导等离子体加工蓝宝石微槽的微观形貌和几何尺寸的影响规律。通过正交试验研究了激光诱导等离子体工艺参数对蓝宝石表面微结构接触角的影响，发现扫描线间距对接触角的影响最大，靶材和蓝宝石之间的距离和激光能量密度次之，扫描速度的影响最小。当激光能量密度为6.3 J/cm2，扫描线间距为200 μm，靶材和蓝宝石之间的距离为150 μm，扫描速度为10 mm/s时，蓝宝石表面微结构的接触角为136°，表现出良好的疏水性；当激光能量密度为7.4 J/cm2，扫描线间距为50 μm，靶材和蓝宝石之间的距离为100 μm，扫描速度为5 mm/s时，蓝宝石表面微结构的接触角为29°，具有较好的亲水性，并且长时间放置后表面接触角基本保持不变。通过扫描电镜观察发现，蓝宝石表面的微结构上分布着许多纳米颗粒，这些微纳结构共同影响蓝宝石的润湿性。  
        关键词：激光诱导等离子体烧蚀;蓝宝石;微结构;工艺参数;表面润湿性   
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        发布时间：2024-02-22
      • 晏慧星,卢鸿谦,尹航,黄显林,陈泰年
        2024, 32(3): 381-391. DOI: 10.37188/OPE.20243203.0381
        摘要：针对索驱悬吊式重力卸荷系统被动缓冲器带来的欠驱动问题，提出了基于气动人工肌肉（Pneumatic Artificial Muscle， PAM）主动式缓冲器控制方法。首先，分析用于地面微/低重力模拟的悬吊式重力卸荷系统，为了克服PAM高度非线性特性，提出基于块结构的非线性神经网络建模方法，其次分析吊索与航天器相互作用过程中挠性引起的力扰动，最后采用非线性模型预测跟踪控制。相比传统PID控制方法，该方法具有参数调节简单，实时跟随性能好，以及对卸荷系统目标惯性参数的摄动具有控制性能不变性等优势。实验结果表明，设置不同扰动情况跟随力误差都能保证在3%以内，实验证明了基于PAM主动缓冲器的可行性，所提出的控制方法能够在挠性不确定性的情况下实现力跟随控制。  
        关键词：悬吊式重力卸荷系统;气动人工肌肉;主动缓冲器;非线性模型预测跟踪控制   
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        发布时间：2024-02-22
      • 成明,赵东旭,王云鹏,王飞,范翊,姜洋
        2024, 32(3): 392-400. DOI: 10.37188/OPE.20243203.0392
        摘要：为了实现在8寸化学机械抛光设备上进行小尺寸镀铜InP晶圆的减薄抛光工作，提高设备的兼容性，缩减工艺步骤，减少过多操作导致InP晶圆出现裂纹暗伤和表面颗粒增加等问题，自制特殊模具，使小尺寸InP晶圆在8寸化学机械抛光设备上进行加工，再根据InP晶圆易碎的缺陷问题，通过调整设备的抛光头压力、转速和抛光垫的转速等相关工艺参数，使其满足后续键合工艺的相关需求。实验结果表明：在使用特殊模具下，当抛光头的压力调整为20.684 kPa、抛光头与抛光垫的转速分别为：93 r/min和87 r/min时，InP晶圆的表面粗糙度达到：Ra≤1 nm；表面铜层的去除速率达到3 857×10-10/min；后续与8寸晶圆的键合避免键合位置出现空洞等缺陷，实现2寸InP晶圆在8寸设备上的CMP工艺，大大降低了CMP工艺成本，同时避免晶圆在转移过程中出现表面颗粒度增加和划伤的情况，实现了InP晶圆与Si晶圆的异质键合及Cu互连工艺。  
        关键词：化学机械抛光;磷化铟;去除速率;键合;表面粗糙度   
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        发布时间：2024-02-22
      • 李醒飞,何梦洁,拓卫晓,王天宇,韩佳欣,王信用
        2024, 32(3): 401-421. DOI: 10.37188/OPE.20243203.0401
        摘要：目标的变化和任务的拓展对光电跟瞄系统提出了快速机动的要求，从地基平台到车载、船载、机载、星载等运动平台是光电跟瞄系统的重要发展趋势。基于惯性参考单元（Inertial Reference Unit，IRU）的视轴稳定方式是克服运动平台高频扰动，实现光电跟瞄系统微弧度甚至亚微弧度级跟瞄的主要技术手段。针对运动平台光电跟瞄系统精确指向对载体基座扰动抑制的需求，分析和对比了IRU的各种技术方案，特别介绍了利用低噪声、宽频带惯性传感器敏感角扰动，并通过反馈控制实现视轴惯性稳定的系统方案。从此类IRU系统的工作原理出发，阐述了系统的两种工作模式及功能特点，建立了系统数学模型。然后，介绍了IRU的国内外研究进展及发展方向，指出惯性传感、支承结构和控制系统是决定IRU稳定能力的关键因素，梳理了三项关键技术的研究动态。最后，总结了IRU的空间应用情况，并结合目前的应用需求对其未来应用领域进行了探讨。  
        关键词：惯性参考单元;运动平台;光电跟瞄系统;视轴稳定;扰动抑制   
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        发布时间：2024-02-22

        信息科学

      • 马庆禄,汪军豪,张杰,邹政
        2024, 32(3): 422-434. DOI: 10.37188/OPE.20243203.0422
        摘要：针对自动驾驶三维建图中存在的建图不准确以及位姿飘移的问题，利用激光雷达里程计消除惯性测量单元（Inertial Measurement Unit， nIMU）累计误差并通过IMU预积分去除激光雷达点云畸变，形成激光雷达与IMU的紧耦合建图系统；通过增加回环检测因子、激光雷达里程计因子以及IMU预积分因子进行后端图优化，旨在提升定位建图的全局一致性，减小位姿估计误差，降低累计漂移误差。最后，在学校园区实地场景以及利用开源数据集KITTI进行实验验证，实验表明，在选取的学校园区实地场景下，改进算法APE误差均值相较于原算法降低了11.04%，APE均方根误差较于原算法降低了17.35%；改进算法在KITTI数据集场景下平均APE误差下降了10.04%，均方误差方面相较于原算法平均下降了12.04%。研究结果表明，改进的建图方法能够有效提高建图的位姿估计精度与地图构建精度。  
        关键词：激光雷达;自动驾驶;同步定位与建图;传感器融合   
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        发布时间：2024-02-22
      • 王暐,付飞亚,雷灏,唐自力
        2024, 32(3): 435-444. DOI: 10.37188/OPE.20243203.0435
        摘要：在可见光红外跟踪（RGB and Thermal Infrared Tracking，RGB-T）的研究中，为了在常规跟踪算法的基础上实现两个模态的有效融合，基于注意力机制提出了一种基于注意力交互的RGB-T跟踪算法。该算法引入注意力机制对可见光和红外两种模态的图像特征进行增强和融合，设计了自特征增强编码器对单一模态的特征进行增强，设计了互特征解码器对两个模态增强后的特征进行交互融合。编码器和解码器均采用两层注意力模块。为了减小算法模型的复杂度，对传统注意力模块进行简化，将全连接层改为1×1卷积。此外，该算法对多个卷积层的特征均进行分层融合，以充分挖掘各层卷积特征中的细节和语义信息。在GTOT，RGBT234和LasHeR三个数据集上进行对比测试。实验结果表明，所提算法性能优异，特别是在RGBT234和LasHeR这两个大规模数据集上取得了最优的跟踪结果，验证了注意力机制在RGB-T跟踪中的有效性。  
        关键词：可见光红外跟踪;注意力机制;多模态特征融合;特征增强   
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        发布时间：2024-02-22
      • 张晶晶,杜兴卓,支帅,丁国鹏
        2024, 32(3): 445-455. DOI: 10.37188/OPE.20243203.0445
        摘要：为解决基于深度学习的立体匹配方法面临着网络规模大、网络结构复杂等问题，提出了一个网络规模较小、精度较高的网络结构。该网络在特征提取模块删减修改了复杂冗余的残差层并引入了空洞卷积金字塔池化模块来扩大视野范围，提取更多有用的上下文信息；在代价计算模块中使用了三维卷积层以成本聚合提升立体匹配的精度；最后，在代价聚合模块引用了双边格网模块以较低分辨率的成本量来获取精度较高的视差图。将该网络在KITTI 2015数据集和Scene Flow数据集等主流数据集上进行实验，结果显示，相较于其他主流优秀网络类如金字塔立体匹配网络（Pyramid Stereo Matching Network ，PSM-Net），网络规模参数量减少了约38%，并取得了较高的实验精度，其中Scene Flow数据集的终点误差（End-point Error，EPE）为0.86，是一个同时兼顾速度与精度的立体匹配网络。  
        关键词：计算机视觉;立体匹配;人工神经网络;视差   
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        发布时间：2024-02-22
      • 周涛,郁梅,陈晔曜,蒋志迪,蒋刚毅
        2024, 32(3): 456-465. DOI: 10.37188/OPE.20243203.0456
        摘要：光场相机能够同时捕获光线的强度和方向信息，但由于成像传感器尺寸的限制，无法同时获得高空间和角度分辨率的光场图像。提出了一种联合傅里叶卷积和通道注意力的光场角度重建方法，通过使用稀疏光场图像4个边角位置的参考视图，可以间接地重建出密集光场图像。考虑到光场数据的内在4D结构，采用通道级密集快速傅里叶残差卷积块，在空域和频域对光场图像的空间和角度相关性进行建模，然后采用基于全局响应归一化的通道注意块，以实现通道间的自适应融合。此外，还提出了一种改进的视点加权间接合成方法，通过为每个参考视图分配一个置信图，为参考视图之间建立联系以合成更真实的新视图。实验结果表明，相比于现有先进的光场角度重建算法IRVAE，所提方法的重建光场图像质量在自然光场数据集30Scenes，Occlusion和Reflective上的平均PSNR分别提高了0.08，0.13和0.13 dB。所提方法在保证光场角度一致性的前提下取得了清晰的重建结果。  
        关键词：光场角度重建;傅里叶卷积;全局响应归一化;视点加权的间接合成   
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