1 西安建筑科技大学资源工程学院，陕西 西安 710055
2 西安建筑科技大学西安市智慧工业感知、计算与决策重点实验室，陕西 西安 710055
针对露天矿无人矿卡运输作业中路况差、光照强和灰尘大等原因导致小尺寸落石检测困难和实时性差的问题，提出一种使用固态激光雷达检测露天矿非结构化运输道路小尺寸落石的方法。首先使用具有双回波技术的激光雷达进行数据采集，减少灰尘干扰并提取车辆前方可行驶区域；然后采用基于扇面的直线拟合地面分割算法分割地面，实现对有坡度的非结构化粗糙路面的彻底分割；之后引入八叉树的分层网格树模型进行邻域查找，提高邻域查找的速度，引入双色最近对构建图，快速生成聚类簇，引入自适应聚类半径ε，进行聚类并输出小尺寸落石的盒模型。实验结果表明：相较于使用k-d树加速的DBSCAN算法，所提方法的正检率提升9.61个百分点，检测时间缩短379.77 ms。
露天矿 无人驾驶 障碍物检测 激光雷达点云 密度聚类 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0812006
1 福建江夏学院电子信息科学学院， 福建 福州 350108 数字福建智能家居信息采集及处理物联网实验室， 福建 福州 350108
2 福建江夏学院电子信息科学学院， 福建 福州 350108
3 山东省农业科学院农业质量标准与检测技术研究所， 山东 济南 250100
金银花是清热解毒必备良药， 市面上金银花来源复杂， 最著名的山东平邑产金银花在市场上常遭造假。 已有的鉴别方法大多耗时长、 成本高且操作复杂， 亟需一种快速高效的金银花产地溯源方法。 针对应用在金银花鉴别中的近红外光谱(NIRS)数据的一维卷积神经网络（1D-CNN）鉴别模型存在参数量过大、 模型效率过于低下、 计算复杂度高， 同时易产生过拟合问题， 对传统1D-CNN结构作出改进。 使用效率较高的VD（Very Deep）结构替代传统1D-CNN中隐含层结构， 并针对 NIRS 数据适应性改进， 使其可直接应用于一维NIRS数据。 改进分为三步: (1) 将特征层的设计转为2个约束优化设计: 第一约束条件设每个卷积层C值（卷积核与感受野的大小比值）为1/6， 可提高网络模型效率; 第二约束条件取顶层感受野大小为数据向量大小， 实现更深层数据特征提取， 并减小过拟合。 (2) 通过降采样把特征层输出特征向量缩小至较小的尺寸; (3) 使用两个1×5大小的卷积层和一个带有Dropout的池化层将数据大小降采样到只有一个矢量的向量替代分类作用的全连接层， 进而减小参数量。 采集河南、 山东、 河北、 重庆主要产地出产的金银花为样品500份。 测试光谱范围908～1 676 nm， 采用KS法对样品集预处理， 并用shuffle算法完成训练集、 验证集、 测试集划分， 构建基于改进1D-VD-CNN与近红外光谱的金银花产地鉴别模型。 结果表明， 1D-VD-CNN训练集与测试集准确率均达到100%， 损失值收敛为0.001附近。 与传统1D-CNN模型相比， 1D-VD-CNN模型的训练集与测试集准确率分别提升为约0.5%与1.4%， 参数量和FLOPs分别减少近1 M(兆)和20 M(兆)。 与原始光谱数据分析法和PLS-DA法对比分析， 表明1D-VD-CNN模型对金银花近红外光谱分类具有更高的效率和更好的识别性能。
金银花 近红外光谱 超深度 一维卷积神经网络 产地溯源 Honeysuckle Near-infrared spectroscopy Very-deep(VD) One-dimensional conv-olutional neural network(1D-C Origin traceability 光谱学与光谱分析
2023, 43(5): 1471
1 南京理工大学电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 江苏省计量科学研究院，江苏 南京 210023
3 上海市计量测试技术研究院，上海 201203
白光显微干涉术是微结构三维形貌无损测量的有效手段，但当沟槽深度小于光源相干长度时易产生蝙蝠翼效应。ISO-25178系列规定了由三维形貌计算沟槽深度和线宽两项特征参数的方法。该计算法则首先需要确定阶跃边缘位置，然而蝙蝠翼位于阶跃边缘，造成形貌中的阶跃边缘位置定位困难。本文针对上述问题，摒弃了从三维形貌中提取阶跃边缘位置的传统方法，依据干涉图像中矩形光栅上下表面边缘位置采样点相干峰分布的差异性，提取相干包络峰值位置，并计算得到用于区分阶跃上下表面的掩膜。本文提出的方法从垂直扫描干涉图像出发，同步实现三维形貌复原和阶跃边缘位置定位，继而准确、高效地计算沟槽深度和线宽。本文以两种不同特征参数的矩形光栅作为检测对象，比对了测量结果与标称值之间的偏差，并对测量过程中的误差项进行了分析。实验结果证明，本文方法具有良好的重复性和鲁棒性。
显微干涉 矩形光栅 蝙蝠翼效应 特征参数 二值化 光学学报
2023, 43(22): 2205004
1 南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
2 江苏省计量科学研究院（江苏省能源计量数据中心），江苏 南京 210023
针对长焦镜头小型化、轻量化的设计需求，基于离轴三反结构探索紧凑型长焦光学系统设计方案。利用圆锥曲面焦点共轭的光学特性，通过相邻反射面焦点重合的方式构造可对轴上点完善成像的初始结构，并在此基础上，通过追迹特征光线建立针对离轴三反结构的光线无遮拦判定条件，从小视场出发制定视场扩展与自由曲面面形的优化设计策略。以长焦手机镜头为例，设计了一款F数为5、等效焦距达196 mm、视场范围±3.8°的离轴三反式紧凑型长焦镜头。其尺寸为26 mm×24 mm×10 mm，仅由3个反射面构成，MTF优于0.2@114 lp/mm，畸变低于0.5%，相对照度高于95%，像面无暗角。该系统无遮拦，无色差，且相较于常规潜望式长焦镜头，在小型化、轻量化方面具备明显优势，为紧凑型长焦镜头设计提供了新的解决思路。
光学设计 长焦镜头 自由曲面 离轴三反 optical design telephoto lens freeform surface off-axis three-mirror 红外与激光工程
2023, 52(7): 20230322
1 中国科学院上海技术物理研究所 红外成像材料与器件重点实验室，上海 200083
2 上海科技大学 信息科学与技术学院，上海 201210
单光子计数技术在弱信号探测和时间测距中具有重大的应用前景。自从20世纪70年代可见光的光子计数系统研发以来，国际上该领域内的研发小组在不断地发展完善光子计数技术，充分放大光子信号，以降低电子设备的读出噪声。电子倍增电荷耦合器件（Electron Multiplying Charge Coupled Devices, EMCCDs）具有更高的量子效率，可替代传统的可见光光子计数系统，但较大的雪崩噪声阻碍了倍增下入射光子数的准确获取。碲镉汞线性雪崩器件（HgCdTe APD）的过剩噪声因子接近1，几乎无过剩噪声；相对于盖革模式的雪崩器件，没有死时间和后脉冲，不需要淬灭电路，具有超高动态范围，光谱响应范围宽且可调，探测效率和误计数率可独立优化，开辟了红外波段光子计数成像的新应用领域，在天文探测、激光雷达、自由空间通信等应用中具有重要价值。美国雷神（Raytheon）公司和DRS技术公司、法国CEA/LETI实验室和Lynred公司、英国Leonardo公司先后实现了碲镉汞线性雪崩探测器的单光子计数。文中总结了欧美国家在碲镉汞光子计数型线性雪崩探测器研究方面的技术路线和研究现状，分析了吸收倍增分离型（Separation of Absorption and Magnification, SAM）、平面PIN型和高密度垂直集成型（High Density Vertically Integrated Photodiode, HDVIP）三种结构的HgCdTe APD器件性能、光子计数能力以及制备优缺点。雷神公司采用分子束外延（Molecular-Beam Epitaxy, MBE）方式制备了空穴倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件，增益可达350，光子探测效率达95%以上，工作温度达180 K以上。DRS技术公司采用液相外延（Liquid Phase Epitaxy, LPE）碲镉汞材料制备了电子倍增机制的HDVIP型中波HgCdTe APD器件，在0.4~4.3 μm的可见光到中红外波段都能响应，最高增益可达6100，光子探测效率大于70%，可实现110 Mbps的自由空间通信。CEA/LETI实验室和Lynred公司采用分子束外延或液相外延制备了电子倍增机制的PIN型短波和中波HgCdTe APD器件，短波器件增益达2 000，中波最高增益可达13000，内光子探测效率达90%，实现了80 Mbps的自由空间通信，在300 K和增益为1时，带宽最高达10 GHz。英国Leonardo公司采用金属有机气相沉积（Metal Organic Vapor Phase Epitaxy, MOVPE）方式制备了电子倍增机制的SAM型短波HgCdTe APD器件，命名为Selex Avalanche Photodiode HgCdTe Infrared Array（SAPHIRA），器件增益可达66@14.5 V，单光子探测率达90%以上，中心距为24 μm的320×256阵列的SAPHIRA器件供给法国First Light Imaging公司，研发出了C-RED ONE相机，相机成功应用于美国天文探测的密歇根红外组合器（Michigan Infrared Combiner, MIRC），将MIRC的系统噪声降低了10~30倍，大大提高了条纹探测的信噪比。国内碲镉汞雪崩探测器研究起步比较晚，主要研究机构有中国科学院上海技术物理研究所、昆明物理研究所和华北光电技术研究所，受限于芯片制备技术和电路技术，目前没有实现光子计数方面的应用，但在焦平面研制上取得了一定进展。中国科学院上海技术物理研究所研制了PIN结构的单元、128×128阵列、320×256阵列中波HgCdTe APD器件，器件增益可达1000以上，增益100以内，增益归一化暗电流密度低于1×10−7 A/cm2，增益400以内的过剩噪声因子小于1.5，增益133时的噪声等效光子数为12，进行了短积分快速成像演示；单元器件带宽可达300~600 MHz。昆明物理研究所研制了PIN结构的单元和256×256阵列的中波HgCdTe APD器件，单元器件增益可达1000以上；在偏压8.5 V以内，焦平面平均增益归一化暗电流为9.0×10−14~ 1.6×10−13 A，过噪因子F介于1.0~1.5之间。国内主要是研制平面PIN结构的HgCdTe APD器件，技术路径与法国基本相同。因而，我国可借鉴CEA/LETI实验室成功经验和Lynred公司的运营模式，持续推进HgCdTe APD器件的研究，以早日达到国际先进水平，实现单光子探测和光子计数应用。
碲镉汞 光子计数 线性雪崩 光子探测效率 器件结构 过剩噪声 HgCdTe photon counting linear-mode avalanche photon detection efficiency device structure excess noise 红外与激光工程
2023, 52(3): 20230036
1 中科院上海技术物理研究所 红外材料与器件重点实验室，上海 200083
2 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
对分子束外延（MBE）生长的原位As掺杂HgCdTe外延材料的热退火造成的As扩散控制进行研究。在较低的退火温度下获得了As扩散长度可控的HgCdTe材料，易于形成符合设计参数的PN结轮廓，为后续新型焦平面器件的研发提供基础。研究发现，在热退火过程中，原位As掺杂HgCdTe的As浓度的大小和纵向分布随着不同的Hg分压而发生改变。并通过理论计算获得了不同Hg分压下的As扩散系数。同时，通过数值模拟对不同As扩散长度的P-on-N器件结构进行了暗电流模拟，验证了As掺杂结深推进工艺的重要性。
碲镉汞 As扩散 热退火 暗电流 HgCdTe As diffusion thermal annealing dark current 光学 精密工程
2022, 30(23): 3004
随着生物超微弱发光检测技术的发展，越来越多的学者将该技术应用于医疗领域方面的研究。本文通过分析、总结，发现生物超微弱发光在现代医学中不仅能够协助疾病诊断、评估人体皮肤状态，还能应用于针灸、中药药性、中医证型的医疗当中。此外，本文还引入了除光子强度外的其他参数［Q值、压缩状态参数(SSI)和Fano因子］，并对情绪、运动、死亡过程的生物超微弱发光变化也进行了总结。生物超微弱发光在医疗领域应用广泛，实用性强。本文对其进行综述，以期对人体超微弱发光有更详细的了解，展示生物超微弱发光在医疗领域的发展潜力。
生物超微弱发光 医疗领域 疾病诊断 针灸 中医 ultra-weak bioluminescence the medical field auxiliary diagnosis acupuncture traditional Chinese medicine
1 红外材料与器件重点实验室，中科院上海技术物理研究所，上海 200083
2 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
对不同钝化层结构的分子束外延（MBE）生长的HgCdTe外延材料的Hg空位浓度控制进行研究。获得了更高Hg空位浓度调控范围的外延材料，为后续新型焦平面器件的研发提供基础。研究发现，在热退火过程中，HgCdTe外延材料的Hg空位浓度的变化随着钝化层结构的不同而发生改变。且这种改变是因为HgCdTe表层的钝化层的存在改变了原始热退火的平衡态过程。同时，通过二次离子质谱（SIMS）测试以及相应的理论拟合进行了验证。
碲镉汞 Hg空位 钝化层 热退火 HgCdTe Hg vacancy passivation layer thermal annealing
