Author Affiliations
Abstract
1 Center of Ultra-precision Optoelectronic Instrument, Harbin Institute of Technology, Harbin 150080, China
2 Key Laboratory of Ultra-precision Intelligent Instrumentation (Harbin Institute of Technology), Ministry of Industry and Information Technology, Harbin 150080, China
Laser ranging with frequency comb intermode beats (IMBs) has been suffering from random phase drifts (RPDs) for two decades. In this study, we reveal the influence of signal transmission path on the RPDs and propose a real-time suppression method using two IMBs of similar frequencies from different combs. As the two IMBs obtain similar RPDs during their transmission through same signal paths, the RPD of the original probing signal IMB is suppressed by deducting the RPD of the newly added local IMB in real time. In our experiments, a real-time suppression of RPDs is achieved using IMBs of 1001 and 1000 MHz. For the sampling time of 100 s, the effect of 19-fold suppression has been achieved. The proposed method provides a new solution for the long-standing phase drift problem in laser ranging with comb IMBs.
intermode beat random phase drift laser ranging Chinese Optics Letters
2023, 21(4): 041202
1 天津大学精密仪器与光电子工程学院, 天津 300072
2 天津大学天津市生物医学检测技术与仪器重点实验室, 天津 300072
功能近红外光谱成像已成为脑功能研究的首选手段。为得到高灵敏度、大动态范围以及高时间分辨率的成像系统, 开发了基于改进锁相光子计数的多通道近红外脑功能成像系统。光源模块由波长为785, 808, 830 nm的激光二极管(各16个)组成, 调制方波的频率间隔为252 Hz; 探测模块包括9个光子计数式光电倍增管。该系统结合了单光子计数技术的超高灵敏度与方波调制模式数字锁相检测的简易并行性, 测量线性相关系数可达0.9989, 信道间的串扰可忽略不计, 具有较强的抗干扰能力和准确的空间定位能力。
成像系统 脑功能成像技术 锁相光子计数技术 参考权重计数策略 扩散光层析成像 7次分时激励方案
1 北京工业大学 机械工程与应用电子技术学院，北京 100124
2 哈尔滨工程大学 信息与通信工程学院，黑龙江 哈尔滨 150001
3 哈尔滨工业大学 超精密光电仪器工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150001
为了补偿用激光外差干涉法进行纳米测量产生的非线性误差，进行了非线性误差补偿的实验研究。根据镀膜实体角锥棱镜反射光的偏振特性，推导出当激光器出射光束存在偏振椭圆化时，测量角锥棱镜以运动方向为轴线的轴向旋转对非线性误差一次谐波的影响模型。分析表明，测量角锥棱镜以其运动方向为轴线的轴向旋转会减小非线性误差一次谐波。实验显示，当测量角锥棱镜轴向旋转角从0°增加到100°时，非线性误差从3.48 nm减小到1.39 nm，实现了非线性误差一次谐波减小为原来的40%。该方法避免了现有的非线性误差补偿方法光路系统和电路系统复杂的缺点，系统实现很简单。
激光外差干涉术 非线性误差 一次谐波 误差补偿 laser heterodyne interferometry nonlinear error first-harmonic error compensation
哈尔滨工业大学,超精密光电仪器工程研究所,黑龙江,哈尔滨,150001
分析了基于能量守恒法获得的对数光锥位相函数的特点,建立了长焦深元件焦深与系统f/#及衍射元件浮雕深度间的函数关系,基于菲涅耳衍射公式分析了参数不同时元件的轴向光强分布规律.仿真结果表明:在给定波长及焦距的条件下,折-衍混合长焦深元件相对同f/#的球面折射透镜的焦深扩展倍数取决于衍射元件的浮雕深度,其值越大,焦深扩展倍数越大,焦深内轴向光强分布越接近平顶分布;焦深一定时,小f/#系统更易获得焦深内轴向光强的平顶分布.
焦深 折-衍混合光学元件 长焦深元件
哈尔滨工业大学,超精密光电仪器工程研究所,黑龙江,哈尔滨,150001
提出了一种基于改进的图像差分算法与特征不变量匹配的目标识别方法.通过三帧差值法获得了更完整清晰的目标轮廓,并基于该轮廓信息构造了一个具有平移、大小和旋转不变性的特征不变量;然后提出动态极值匹配法,利用特征曲线的极值信息点进行识别匹配,并动态替换原特征模版.实验结果表明,该方法能够准确识别目标,显著地提高识别跟踪效率,并且适用于检测运动姿态发生变化的目标.对于分辨率为288×352像素,每像素8位量化的序列图像,处理每帧图像平均用时0.011 74 s,其中特征提取与匹配过程平均用时0.005 476 s,能够实现对运动目标的实时分析,可同时满足运动目标识别跟踪中实时性和准确率的要求.
目标识别 轨迹跟踪 差分图像 特征不变量 动态匹配
哈尔滨工业大学,超精密光电仪器工程研究所,黑龙江,哈尔滨,150001
为能够有效解决实时直线图形提取问题,提出了一种基于多约束Hough变换(HT)的直线提取算法.该算法首先分析了数字图像中直线边缘的三种结构特征,提出采用基元结构表示目标边缘点,并在约束条件下计算基元结构的基元倾角.在此基础上,结合传统的HT的思想对基元结构进行极角约束HT,以获得最终的直线参数.实验结果表明,对合成图像和自然图像,该算法比梯度HT的运算速度分别提高约190倍和22倍.
直线提取 基元结构 Hough变换 极角约束
1 哈尔滨工业大学,超精密光电仪器工程研究所,黑龙江,哈尔滨,150001
2 哈尔滨工业大学,航天学院通信工程系,黑龙江,哈尔滨,150001
为了精确地描述激光外差干涉在高加速度超精密测量中加速度对位移测量精度的影响机理与规律,建立了高加速度超精密激光外差干涉位移测量模型.通过分析测量棱镜三维运动对多普勒频移的影响,推导出高加速度激光外差干涉位移测量模型.理论分析和仿真实验表明,当测量加速度为9m/s2,匀加速运行的位移为500mm时,由于加速度变化引起的相对论性效应对测量精度的影响为5nm.高加速度超精密激光外差干涉位移测量模型的建立,可提高激光外差干涉在高加速度超精密测量中的测量精度,为激光外差干涉在高速和超高速测量领域的应用提供了理论依据.
外差干涉 超精密测量模型 加速度 高速测量
1 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所, 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学航天学院通信工程系, 哈尔滨 150001
为了补偿激光外差干涉纳米测量中的非线性误差,提出了一种减小非线性误差的一次谐波方法。基于全反射理论分析了镀膜实体角锥棱镜反射光偏振特性,并由此推导出角锥棱镜反射光偏振特性及测量角锥棱镜以其运动方向为轴线的轴向旋转对激光外差干涉非线性误差一次谐波的影响模型。理论分析表明,测量角锥棱镜以其运动方向为轴线的轴向旋转会减小非线性误差一次谐波,当测量角锥棱镜轴向旋转97°时,可使非线性误差一次谐波达到最小,约为原有非线性误差一次谐波分量的1/20倍。当激光器出射的两束线偏振光存在6°非正交误差时,镀膜实体测量角锥棱镜轴向旋转角度从0°增加到97°,非线性误差一次谐波由5.30 nm减小到0.30 nm。
光电子学 外差干涉 非线性误差 角锥棱镜 一次谐波
1 哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所,黑龙江 哈尔滨 150001
2 哈尔滨工业大学航天学院通信工程系, 黑龙江 哈尔滨 150001
为了减小激光外差干涉纳米测量的非线性误差，必须明确偏振分光镜(PBS)分光性能非理想对非线性误差的影响机制。推导出非理想情况下偏振分光镜透射率和反射率的激光外差干涉非线性误差模型，建立了偏振分光镜分光性能非理想对非线性误差二次谐波的影响模型。仿真结果表明，偏振分光镜的透射率和反射率非理想对非线性误差的影响为一次谐波，且偏振分光镜分光性能越差，其对非线性误差的影响也越大。在偏振分光镜反射率为0.90的情况下，偏振分光镜透射率从1减小到0.90时，非线性误差由0.62 nm增大到1.24 nm。当存在偏振分光镜旋转角度误差时，偏振分光镜分光性能非理想引起的非线性误差不增加二次谐波分量，但增大了非线性误差一次谐波分量，严重影响非线性误差的大小。当偏振分光镜旋转角度误差为5°时，偏振分光镜透射率从1变为0.90，非线性误差从0.39 nm增大到1.41 nm。
测量 激光外差干涉 非线性误差 透射率 反射率 偏振分光镜 二次谐波
哈尔滨工业大学超精密光电仪器工程研究所，黑龙江 哈尔滨 150001
为了减小激光外差干涉纳米测量的非线性误差,必须明确检偏器旋转误差对非线性误差的影响机理与消除方法。通过分析激光外差干涉检偏器旋转误差对非线性误差的影响,推导出检偏器旋转误差对非线性误差一次谐波和二次谐波的影响模型。仿真结果表明,当存在激光束椭圆偏振时,检偏器旋转误差对非线性误差的影响很小；当存在偏振分光镜旋转误差时,检偏器旋转误差引起的非线性误差不增加二次谐波分量,但增大了非线性误差一次谐波分量,严重影响非线性误差的大小,当偏振分光镜旋转误差为3°时,检偏器旋转误差从0°增加到5°,非线性误差从0.14 nm增大到0.97 nm。
