1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所精密仪器与装备研发中心, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院西安光学精密机械研究所, 中国科学院光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
4 中国人民解放军总医院介入放射科, 北京 100853
兔肝VX2肿瘤是一种快速生长的肿瘤模型, 可以在多种器官如肝、 肺、 直肠等快速生长, 常用于肿瘤研究。 采用可见-近红外高光谱技术对四只兔子的兔肝VX2肿瘤和正常组织进行活体和离体的反射光谱检测, 然后采用支持向量机分别实现了二分类(正常肝组织和肝VX2肿瘤组织)和四分类(未出血活体正常肝组织、 未出血活体VX2肿瘤组织、 出血离体正常肝组织和出血离体肝VX2肿瘤组织)。 根据其光谱反射曲线的特征, 选择了400~1 800 nm区间的数据为特征变量。 为进一步提高分类准确率, 分别采用5折交叉验证和遗传算法对支持向量机的核函数参数g和惩罚因子c进行了优化。 其中5折交叉验证优化参数和分类结果为: 二分类优化的惩罚参数c为4, 核函数参数g为0.125 0, 其校正集和预测集的准确率都达到了100%; 四分类中优化出的参数c为8, g为0.121 1, 其校正集和预测集的准确率分别达到了99.242 4%和93.333%。 遗传算法优化参数和结果为: 二分类中优化的参数c为0.845 6, g为0.062 5, 其校正集和预测集的准确率同样都达到了100%; 四分类中优化的参数c为5.5307, g为0.068 5, 其校正集和预测集的准确率分别达到了99.242 4%和100%。 结果显示两种优化方法都取得了很好的效果, 遗传算法优化参数对四分类的分类更为精确。 为进一步提升算法速度, 采用间隔选取变量的方法来不断减少特征变量, 最终每隔100 nm谱段选择一个变量, 共选择14个谱段作为特征变量。 采用遗传算法优化支持向量机参数并对其分类进行了研究, 结果表明: 二分类和四分类的校正集和预测集结果准确率均为99.242 4%, 而且运行时间分别为11.4和20.0 s, 与选择全波段的运行时间: 340.3和491.0 s相比, 说明多光谱技术可以进行肝VX2肿瘤组织和正常肝组织的鉴别, 且分类准确率可达99%以上, 而且运行时间缩短了很多。 为未来多光谱技术在未来临床肿瘤诊断中实现肿瘤组织的快速实时在线检测和分类奠定了基础, 显示出巨大的应用潜力。
兔肝VX2肿瘤 可见-近红外光谱 遗传算法 支持向量机 Rabbit liver VX2 tumor The visible-near-infrared Vis-NIR spectroscopy Genetic algorithm Support vector machine 光谱学与光谱分析
2021, 41(10): 3123
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所精密仪器与装备研发中心, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院西安光学精密机械研究所, 中国科学院光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
润滑油动力粘度是划分润滑油品质的重要依据之一, 高铁变速箱润滑油需要进行实时、 快速、 无损的检测, 因此提出一种基于可见近红外光谱微型模块结合量子遗传-神经网络算法对润滑油粘度值进行定量分析的新方法。 不仅实现了高铁变速箱润滑油动力粘度的无损快速实时检测, 还进一步提高了对润滑油动力粘度预测的精度。 微型光谱仪具有性能优良、 体积小巧等优势, 在便携式光谱无损检测方面用途越来越多。 在这里, 选用可见短波近红外和近红外波导光栅两种微型光谱模块进行光纤耦合, 实现了330～1 700 nm可见-近红外波段光谱拼接。 首先我们采用该组合微型光谱仪对13种不同粘度的润滑油共78个样本进行光谱扫描得到原始光谱数据。 原始光谱经过Savitzky-Golay卷积平滑后, 再一阶求导, 可以有效地消除基线漂移和背景噪声。 然后采用主成分分析和马氏距离相结合的方法来识别浓度界外样本, 剔除界外样本3个。 最后采用BP(back propagation)神经网络和量子遗传神经网络两种回归算法分别建立定量分析模型, 并对比分析了两种算法的性能。 量子遗传算法是量子计算和遗传算法相结合地一种概率进化算法, 采用量子染色体的形式, 利用量子逻辑门进行全局搜索, 从而可以利用量子遗传算法优化神经网络地权重和阈值, 提高建模效率和精度。 分别用BP神经网络算法和量子遗传-神经网络算法进行建模仿真, 从75个样本随机抽取10个样本作为预测集, 其余65个为建模集。 在量子遗传寻优算法中, 其种群数目设置为40, 终止代数为200, 寻优结果表明该算法在训练81代后可快速得到最优解。 比较两种建模算法的预测结果, 采用量子遗传-神经网络算法相比BP神经网络算法得到的粘度预测结果均方根误差从0.345 5降低至0.029 4, 决定系数从0.850 4升至0.979 9, 可知量子遗传-神经网络算法的预测能力明显强于BP神经网络。 为进一步提高润滑油粘度的定量分析准确度和微型光谱模块应用于高铁齿轮箱润滑油在线、 实时、 快速检测提供了参考方法。
可见-近红外光谱微型模块 润滑油 动力粘度 量子遗传算法 神经网络算法 Visible-near-infrared spectroscopy micro-module Lubricating oil Dynamic viscosity Quantum genetic algorithm Neural network algorithm 光谱学与光谱分析
2020, 40(5): 1634
1 长春理工大学, 长春 130022
2 中国科学院光谱成像技术重点实验室, 西安 710119
3 吉林警察学院, 长春 130117
4 东北师范大学 物理学院国家级实验教学示范中心, 长春130024
5 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
大口径衍射望远系统由于使用透射式的薄膜衍射光学元件作为主镜, 不仅质量密度低(表面质量密度可以达到01 kg/m2), 同时面形精度要求宽松, 发射成本低。本文阐述了衍射望远系统的基本成像原理, 并推导出任意大口径系统的初始结构计算公式, 给出了口径为300 mm、系统焦距为2 m, 工作波段为058 μm到068 μm的系统设计实例并研制了原理验证系统, 进行了星点像以及分辨率板实验。成像结果接近衍射极限, 与设计结果相符。本文所做工作为大口径衍射望远系统的设计提供了良好的理论基础和初始模型结构, 能够极大地缩短设计周期, 提高成像质量。
薄膜衍射光学元件 衍射望远系统 超大口径 film diffractive optical elements diffractive telescope large aperture
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 光电探测部, 吉林 长春130033
2 中国科学院大学, 北京100049
为了深入研究可行的中高轨成像技术, 本文从探测能力角度(用最低发射激光功率表示)深入分析和比较3种主动干涉合成孔径成像技术--傅立叶望远镜(又称为相干场成像或条纹场扫描成像)、成像相关术(又称为强度相关成像)和剪切光束成像。本文利用光电倍增管的信噪比模型和激光作用距离方程, 较为细致地分析每种技术在满足单次信噪比(SNR=5)条件下的极限探测能力。通过仿真分析得出：傅立叶望远镜、成像相关术和剪切光束成像所需的最低单光束单脉冲能量分别为114 J、073 MJ和31 MJ。最终得出傅立叶望远镜是上述3种主动成像技术中在目前技术水平下最适合中高轨目标(约36 000 km)高分辨成像的可用技术的结论。
成像系统 探测能力 傅立叶望远镜 成像相关术 剪切光束成像 imaging system detection capability Fourier telescopy imaging correlography sheared-beam imaging
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了消除成像视场外回波对条纹场扫描成像(又称为傅立叶望远镜或者相干场成像)的可能影响, 本文从理论上分析回波引起重构混叠的主要原因, 并针对不同的应用场合提出对应的最佳解决方案。本文通过计算机仿真手段详细研究不同照明区域回波对成像的影响, 仔细分析增加短基线方案对重构模糊的改善效果。仿真结果表明：三光束(同时发射的最多光束)重叠区域的回波对重构结果有最严重影响; 增加短基线可以消除图像混叠, 单臂增加一个短基线则能使图像质量明显改善, 对应的斯托里尔比(Strehl ratio)从0.49上升到0.59; 且单臂增加基线数越多, 则重构图像细节就越丰富。本文所提出的消除成像视场外回波影响的几种方案对于条纹场扫描成像系统在不同领域的应用均具有重要的借鉴价值。
条纹场扫描成像 傅立叶望远镜 视场外回波 成像视场 重构混叠 fringes scanning imaging Fourier telescope echo outside field of view(FOV) imaging field of view reconstruction overlap
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
本文利用严格数值仿真研究了550~700 nm波段的可见光通过金属光栅耦合方式激发的表面等离激元(SPP)波在金属表面的光栅衍射行为与现象。研究结果表明: SPP波在金属表面的衍射行为与自由空间光相比有极大不同, 由于SPP波的近场属性, 经金属光栅衍射后在近场可表现出明显的光栅分光现象, 但经过一段传输距离后则分光现象消失而表现为不同级次的光合为同一束光; 在近场衍射情况下, 其情况与自由空间光衍射行为类似, 对SPP亚波长金属光栅来说同样只有零级透射光; 而当金属光栅周期大于SPP波长时, 高级衍射级次则开始出现。研究结果对下一步在金属表面上实现微米级片光谱仪器具有重要借鉴意义。
表面等离子体波 金属光栅耦合 近场衍射 微纳尺度 surface plasmon polariton(SPP) wave metallic grating coupler near field diffraction micro/nano-scale
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院 西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
弯月面化学涂膜技术因其具有大面积、低成本以及高效率等优势成为继旋涂、喷涂等传统涂膜工艺后极具发展潜力的新型化学薄膜涂覆技术。本文针对国家某重大项目对米级光学元件表面的化学薄膜涂覆需求, 对基于弯月面涂胶的技术原理进行了系统研究, 分析了涂胶压强、基片和狭缝间距以及材料亲疏水性与涂胶面形态的关系, 实现了对弯月液面的精密调控并研制出基于弯月面化学薄膜涂覆技术的装备, 在1 400 mm×420 mm尺寸玻璃基片上实现了光刻胶的均匀涂覆, 使整体胶膜厚度误差<4%, 满足了米级元件表面精密化学薄膜的涂覆需求。
弯月面 大面积 涂胶 液面调控 光学元件 chemical coating optical components meniscus large area gluing liquid level regulation
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100000
3 中国科学院沈阳自动化研究所, 沈阳 110000
4 中国刑事警察学院, 沈阳 110000
为了使光谱仪在分辨率基本不变的同时增宽工作光谱范围, 利用非成像原理设计了自由曲面透镜, 将光源发出的宽工作谱段的光束准直为两束波长不同、方向不同的平行光, 实现探测器上光谱的折叠分布.首先, 根据两束入射光线经自由曲面折射前、后的矢量关系, 建立自由曲面上点坐标的一阶偏微分方程组；然后, 采用Runge-Kutta法对偏微分方程组进行数值差分求解, 得到自由曲面离散采样点, 进而构建得到自由曲面透镜, 将自有曲面透镜导入ZEMAX软件中对光源的双光束准直进行模拟, 在Tracepro软件中进行光线追迹分析其照度分布；最后, 将自由曲面透镜应用于近红外光谱仪中, 将波段为800~2 400 nm的光源准直为两束波长分别为800~1 600 nm和1600~2 400 nm的方向不同的平行光束, 经单个光栅色散后由成像透镜组成像在探测器表面, 形成两组相互平行且首尾相连的折叠光谱, 光谱仪的分辨率优于10 nm.结果表明, 采用该自由曲面透镜可以同时实现光谱仪的高分辨率和宽工作光谱范围, 且使光谱仪的结构更加紧凑.
近红外光谱仪 自由曲面 双光束准直 偏微分方程组 Runge-Kutta法 near-infrared spectrometer freeform surface two-beam collimating partial differential equations set runge kutta method
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
由于数字微镜（digital micro-mirror device, DMD)哈达玛变换光谱仪其成本低, 光能利用率高及无运动部件等优势, 逐渐成为光谱仪领域的研究重点。 研制了一款基于DMD的哈达玛变换光谱仪。 为了解决光谱仪谱线弯曲造成的光谱分辨率下降的问题, 对基于DMD的哈达玛变换光谱仪中的谱线弯曲所引起的谱带混叠进行了分析。 首先, 导出了谱带混叠与谱线弯曲的关系式。 然后, 提出了两个过程来解决谱带混叠, 一是通过调整DMD编码条纹, 使DMD所编码的谱带最大限度地与标准谱带重合; 二是通过数据处理对谱带混叠进行修正。 最后, 通过对谱线曲率半径为5.8×104, 7.8×104和9.7×104 μm等六种情况下谱带混叠进行了分析与修正, 拟合出光谱混叠和修正效果与谱线曲率半径的关系。 结果表明: 对于不同程度的谱线弯曲经过这两个过程修正后, 分辨率都会改善到接近光学系统的分辨率, 说明这两个过程对修正谱线弯曲具有普适性、 并且方法简单、 有效。
光谱仪 光谱修正 数据处理 哈达玛变换 Spectrometer Spectral correction Data processing Hadamard transform DMD (digital micro-mirror device) DMD(digital Micro-mirror device)
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
为了确定一种新型间接测量太阳能热发电系统聚焦光斑能流密度分布方法的测量误差范围，对其进行了进一步研究。从理论公式出发，分析了该测量方法的误差源;使用球面小定日镜、CCD相机、漫反射板、中性密度滤光片等设备进行了能流密度测量的实验，使用MATLAB软件对实验数据进行处理，得到了漫反射板上聚焦光斑的能流密度分布和总能量;实验时借助全站仪测量并计算了定日镜中心的光线入射角，根据定日镜的面积和反射率、太阳直射辐射值、余弦效率等计算了光斑能量的理论值，并与测量得到的聚焦光斑总能量比较，得出了实验条件下该方法测量光斑总能量以及能流密度的相对误差为35%。该测量误差在允许范围内，进一步证实了该能流密度测量方法的正确性和可行性。
测量误差 能流密度测量 聚焦光斑 太阳能热发电 measurement error flux density measurement concentrated solar irradiance solar thermal power plant
