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
为了实现对微小物体的高精度三维测量，本文构建了一套基于结构光照明的三维形貌测量系统，对该系统所使用的相位编码算法、远心相机标定算法和投影仪标定算法进行了研究。首先，通过边缘提取算法获得二维平面标靶的特征点坐标，使用改进的张氏标定算法完成远心相机标定，通过相位编码结构光得到相机像素与投影仪像素之间的映射关系。然后，由映射关系使投影仪也能捕获特征点的位置信息，进而完成投影仪标定。最后，基于立体视觉模型对被测物体进行三维重建。实验结果表明，标定后的测量系统视场大于2 000 mm2，全视场的测量精度约为32 μm，中心视场的测量精度为10 μm。该系统具有良好的稳定性和重复性，能够满足大多数工业检测的应用需求，展示出广阔的应用前景。
结构光 三维测量 远心镜头 高精度 structured light three-dimensional measurement telecentric lens high precision 
Author Affiliations
Abstract
1 School of Electronics and Information, Guangdong Polytechnic Normal University, Guangzhou 510665, China
2 Guangdong Provincial Key Laboratory of Nanophotonic Functional Materials and Devices, South China Normal University, Guangzhou 510006, China
3 Guangzhou Key Laboratory for Special Fiber Photonic Devices, South China Normal University, Guangzhou 510006, China
4 Guangdong Provincial Key Laboratory of Industrial Ultrashort Pulse Laser Technology, Shenzhen 518055, China
In this work, we demonstrated the double-cladding Tm/Al co-doped photonic crystal fiber (PCF) by laser additive manufacturing. The measurements show that the fiber was heavily doped with a concentration of 2.13% (mass fraction) without any crystallization. The splicing property of PCF was studied, and the integrity of the PCF air holes was maintained during the splicing process. The PCF with combiner pigtail has a splice loss of 0.23 dB. The all-fiber Tm/Al co-doped PCF amplifier system achieves a slope efficiency of 13% at 1948 nm with an output laser power of nearly 1.59 W. An upconversion process was also observed under laser excitation with a 1064 nm pulse. This method provides a new idea to deal with Tm-doped PCF fabrication and promotes the promising application of 2 µm fiber lasers.
photonic crystal fiber laser laser amplification Chinese Optics Letters
2023, 21(12): 121401
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130000
为指导大口径非球面反射镜的精磨至抛光过程的加工, 设计了Ronchi光栅检测系统。采用零位补偿器替代补偿光栅的设计制作, 既能用Ronchi法对粗加工过程检测, 也能用于干涉仪检测; 模拟Ronchi检测过程中条纹形状与对应面型像差的关系, 通过判断条纹形状对加工过程进行指导; 针对某600mm口径的双曲面反射镜, 设计了Ronchi光栅检测系统、零位补偿系统、成像系统。分析检测系统元件剩余反射对成像结果的影响, 并提出相应的解决方案。分析表明, 在Ronchi光栅检测光路中, 分光棱镜表面5%剩余反射相对0.1%剩余反射, 像面暗条纹的照度值增量大于30倍, 条纹明暗对比度下降, 难以分辨; 光栅剩余反射大于3%时条纹中心产生亮斑, 亮斑照度与条纹照度值比大于5倍。通过优化系统结构, 降低元件表面剩余反射, 提高了像面条纹对比度。将Ronchi检测系统用于双曲面镜抛光过程的检测, 测得双曲面粗抛光后RMS值为0.042λ, PV值为0.291λ, 可有效指导非球面的精磨与粗抛光过程。
Ronchi光栅检测 像差 剩余反射 条纹对比度 ronchi grating testing aberration residual reflection fringe contrast
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
为指导某600 mm口径的双曲面反射镜的加工, 设计了Ronchi光栅检测系统。针对系统检测过程中存在的杂光现象, 分析产生该现象的原因, 并提出相应的解决方案。结果表明, 在光线两次经过光栅的光路结构中, 分光棱镜的剩余反射率大于5%时, 像面处暗条纹的照度增大27倍, 条纹明暗对比度下降, 难以分辨;随着光栅剩余反射增加, 条纹中心产生亮斑现象, 条纹无法分辨。条纹面正对分光镜的亮斑区域的背景照度增加40多倍, 玻璃面正对分光镜的亮斑区域的背景照度增加80多倍。通过优化系统结构, 对分光镜与光栅进行替换与表面处理, 有效解决了杂光问题, 提高了像面条纹对比度。
Ronchi光栅 分光棱镜 剩余反射 条纹对比度 Ronchi grating splitting prism residual reflection fringe contrast
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
为了消除偏心摄影验光设备测量人眼屈光度的误差，使拍摄的人眼照片更清晰，对偏心摄影视力筛查设备的成像光学系统进行了设计。该镜头工作距离为1000 mm，总长为51.4554 mm，系统焦距为46.7 mm，F数为2.8。通过优化设计后该系统的最大畸变小于0.3%，很好地校正了球差、场曲和畸变。该偏心摄影成像光学系统结构具有简单、紧凑，且成像质量良好等特点，可以满足偏心摄影验光设备的成像要求。
光学设计 偏心摄影验光 屈光状态 暗区高度 激光与光电子学进展
2022, 59(13): 1322002
1 华南师范大学, 广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室, 广东 广州 510006
3 深圳技术大学, 中德智能制造学院, 广东 深圳 518118
4 华中科技大学, 武汉光电国家研究中心, 湖北 武汉 430074
冶金、 核工业、 污染检测和环境监测等领域对元素分析的需求是必不可少。 激光诱导击穿光谱技术作为一种新型的原子光谱分析技术, 具有实时快速、 对样品几乎无损、 可多元素同时分析等特点, 因此一直受到广泛的关注。 但其分析灵敏度较差的缺点一直限制着该技术的发展。 激光诱导荧光辅助激光诱导激光光谱技术能够通过激光共振激发提高分析灵敏度并高效检测样本元素种类, 通过光谱仪收集光谱信息并建立模型可对未知样本进行浓度预测。 但当基体原子与目标原子的特征谱线十分接近时, 基体谱线会受到影响, 此时一元定标准确度下降。 通过一元线性拟合和多元线性拟合两种方式对钢铁中的Ni和Cr元素分别建立线性模型。 首先, 选取样品光谱中的峰值谱线, 核实其是否为待测元素或基体元素所对应的特征谱线, 选定合适的特征谱线后, 将多个谱线的光谱强度以及对应该样品的待测元素浓度作多元线性拟合模型, 将各个谱线所对应的拟合系数由高到低进行排序, 并以多元线性拟合模型中各个特征谱线对应的光谱强度对浓度预测的贡献度为标准不断减少拟合维度, 使Ni和Cr拟合模型的决定系数分别由0.960 1提高至0.992 9和0.992 0提高至0.998 7, Ni和Cr元素含量的回归模型平均相对误差分别由38%降低至10%左右和55%降低至25%以内, Ni和Cr元素的线性回归模型的交叉验证均方根误差随着维度的增加分别由3.4%降低至2%左右和2.5%降低至1.5%左右。 选取多个谱线建立多元线性回归模型的方法较为有效的降低了激发干扰的影响, 以较小的工作量提高了对待测样品的待测元素浓度预测的准确度, 为推进激光诱导荧光辅助激光诱导激光光谱技术在元素分析的实际应用提出了一种可行的方案。
激光诱导激光光谱 激光诱导荧光 多元线性回归 Laser-induced breakdown spectroscopy Laser-induced Fluorescence Multiple linear regression
大连理工大学 海岸和近海工程国家重点实验室，辽宁 大连 116024
销轴连接作为工程中一种常用的连接构件，实时监测其在荷载下的健康状态，对结构的整体稳定性至关重要。该文研究了一种基于压电理论的销轴连接受力状态的实时监测方法，并对其展开了理论和实验研究。同时基于小波包理论分析接收信号的能量，从而识别销轴连接的受力状态。研究结果表明，接收信号的能量与销轴连接的受力状态相关，随着接触面的法向压力增大，接收信号的能量增大，但当法向压力增大到一定值后，接收信号能量达到饱和。因此，该文提出的基于压电理论的销轴连接受力状态监测方法在一定的荷载范围内具有良好的可行性和应用意义。
销轴 结构健康监测 压电陶瓷 受力状态 小波包能量分析 pin shaft structural health monitoring piezoelectric ceramics force state wavelet packet energy analysis
华南师范大学信息光电子科技学院, 广东省微纳光子功能材料与器件重点实验室, 广东 广州 510006
大量废弃的塑料制品给生态环境造成严重破坏, 当务之急是要对塑料进行分类回收。 传统的分类方法普遍存在成本高, 效率低, 操作复杂等问题, 不能满足工业生产的需要。 激光诱导击穿光谱技术由于具备简单灵活, 快速灵敏等优点, 在物质鉴别领域有广泛应用。 采用激光诱导击穿光谱技术结合主成分分析（PCA）和支持向量机（SVM）算法对20种塑料进行分类识别研究。 由于目前有关塑料分类识别速率的研究报道较少, 该实验在保证识别准确率的前提下, 进一步研究和分析实验过程耗费的时间, 满足工业生产中快速分类的要求。 每种塑料采集100组光谱数据, 随机选取50组数据作为训练集建立模型, 余下50组作为测试集测试模型的分类识别效果, 所以训练集和测试集各有1 000组光谱数据。 将训练集的数据不加处理地输入SVM中进行训练, 并采用5折交叉验证建立最佳模型, 此时测试集的识别准确率为99.90%, 建模时间为1小时58分41.13秒, 预测时间为11.96 s。 由此可见, 单纯使用SVM算法可以得到很高的准确率, 但是需要耗费大量时间。 为了提高实验效率, 引入主成分分析算法, 将原来的高维数据变换成低维数据, 并用降维后的数据训练模型。 针对不同的主成分个数, 均采用随机训练十次再取平均值的方法获得相关数值。 实验表明, 当选取主成分个数为13时, 得到相应的识别准确率为99.80%, 而PCA处理时间为1.44 s, 建模时间为12.16 s, 预测时间仅为0.02 s。 虽然PCA算法结合SVM算法在对20种塑料进行分类识别时准确率有轻微下降, 但是大大减少了模型训练的时间, 实验效率得到很大程度的提高。 结果表明, 结合两种算法辅助激光诱导击穿光谱可以对塑料进行快速准确的分类识别。
激光诱导击穿光谱 塑料 主成分分析 支持向量机 Laser-induced breakdown spectroscopy Plastic Principal component analysis Support vector machine 光谱学与光谱分析
2021, 41(6): 1955
以16年长期定位试验为基础, 探讨不同比例有机无机肥配施对土壤腐殖质特征的影响。 通过分离纯化腐殖质中的胡敏酸(HA)和富里酸(FA)组分, 并利用元素分析、 红外光谱和核磁共振研究分析了F1(70%化肥+30%有机肥)、 F2(50%有机肥+50%化肥)和F3(100%有机肥)三种施肥方式下的HA和FA含量及结构变化。 结果表明, F3对于提升HA和FA含量的效果优于F1和F2处理, 说明有机肥的施用量越高, 土壤腐殖质组分的含量就越高。 元素分析表明, 不同配比的有机无机肥对HA和FA各元素含量及原子比影响不同。 F2和F3都提高了HA的缩合度, 降低了氧化度和极性, 其中F3的效果更加明显; 有机肥的施用还能促进HA中含氮化合物的形成, 并且在F2中的效果最好; 有机肥的施用同样提高了FA的缩合度而降低了氧化度和极性并促进了含氮化合物的形成, 尤其在F2处理中尤为明显。 腐殖质红外光谱分析表明, 与F1相比, F2和F3提高了HA中脂肪族化合物、 碳水化合物物质的含量, FA的羧基基团、 脂肪基团含量也增加, 且在F3处理中表现最为显著; F2处理则降低了HA中脂肪烃物质的含量, FA中的碳水化合物则达到最高。 13C核磁共振波谱分析显示, 在三种处理中, 有机肥的施用提高了HA和FA的脂化度而降低其芳化度, 其中F2处理中HA官能团变化更加显著, FA在F3处理中则变化更加明显。 综上所述, 有机肥显著提高了土壤腐殖质组分含量, 并且提高了HA和FA的脂化度降低其芳化度, 但是不同用量有机肥下HA和FA的形成机制不同。
有机肥 无机肥 胡敏酸 富里酸 红外光谱 元素分析 固态13C核磁共振 Organic fertilizer Inorganic fertilizer Humic acid Fulvic acid Infrared spectroscopy Elemental analysis Solid 13C-NMR
