上海交通大学 电子信息与电气工程学院 仪器科学与工程系，上海 200240
针对一套数字全息装置只能测量离面位移这一个维度位移的局限性问题，将数字全息与数字图像相关方法相结合，利用数字全息重建的强度图像，实现了面内另外两个维度位移的测量，拓宽了一套数字全息装置的测量能力。该方法对待测物体位移前后的全息图数值重建得到两幅强度图，然后对变形前后的强度图应用数字图像相关方法得到面内两个维度位移的测量结果。该方法中采用的数字全息的强度图本质上是激光散斑图，而不是传统数字图像相关使用的白光下或自然光下的表面喷涂散斑或者物体自然纹理，因此是对数字图像相关方法应用于激光散斑图像的有益探索。最后通过二维位移装置对平面施加面内方向位移的实验验证了数字图像相关方法对于数字全息重建的激光散斑图在面内位移测量的有效性。最后，讨论了基于数字全息对曲面物体利用数字图像相关进行面内位移测量的可行性。传统的二维数字图像相关方法由于有限焦深导致散斑退相关现象，因而无法对曲面物体进行面内位移测量。但是，借助数字全息技术在一幅全息图中能将物体聚焦到不同深度的能力，可以将曲面物体分割为不同深度部分开展二维数字图像相关测量。本文从理论上讨论了该方法的可行性，并在实验上遍历了不同深度的DH重建对曲面物体面内位移的测量准确性的影响，为数字图像相关方法借助数字全息技术的辅助对曲面物体面内位移的测量进行了有益探索。
数字全息 数字图像相关 面内位移测量 曲面物体 激光散斑 Digital holography Digital image correlation In-plane displacement Curved object Laser speckle
1 东北大学 信息科学与工程学院，辽宁沈阳089
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室，吉林长春130033
3 河北省微纳精密光学传感与测量技术重点实验室，河北秦皇岛066004
为了研制结构紧凑、低功耗和本质安全的激光吸收光谱气体检测系统，光子晶体光纤气体检测技术受到广泛关注。通过对光子晶体光纤结构参数的优化，可将90%以上的光场模式束缚在纤芯附近，从而将气体检测的相对灵敏度提升到60%以上，限制损耗降低到10-8 dB/m。对光学模式的调控依赖于纤芯微结构参数和包层光子晶体空气孔的阵列排布的优化，以期获得更高的相对检测灵敏度和更低的光学损耗；接着，针对端头反射式、光纤光栅波长调制型和不同光纤复合型的气体检测技术进行了分析。端头反射式结构最为简单，然而难以保证气体分子的高效交换。结合Bragg光栅和长周期光栅等特种光纤结构可以构建光学谐振腔，有效增强光信号与气体分子的吸收光程。结合不同类型光纤和气体敏感材料的复合光纤结构气体探头的设计，极大地优化了气体传感的选择性和灵敏度等特性。延长光纤至1 m以上，或采用环形嵌入方式可有效增加光程，获得10-12量级的检测限。掺铒光纤的引入可有效补偿光纤环内的光学损耗。最后，分析了多孔环形和柚子型等大空芯直径光子晶体光纤的气体检测性能和未来研究方向。针对光子晶体光纤气体激光光谱吸收检测技术，未来需要在性能优化、系统集成和环境适应性方面开展研究，从而为冶金化工等行业中危险气体实时监测仪器的研制提供技术保障。
光子晶体光纤 气体检测 激光光谱吸收 光纤传感 空芯光纤 photonic crystal fiber gas detection laser spectrum absorption fiber sensing hollow fiber 光学 精密工程
2021, 29(10): 2316
Author Affiliations
Abstract
1 Department of Instrument and Science in Engineering, School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
2 Ngee Ann Polytechnic, Singapore 599489, Singapore
Aperture synthesis is an important approach to improve the lateral resolution of digital holography (DH) techniques. The limitation of the accuracy of registration positions between sub-holograms affects the quality of the synthesized image and even causes the failure of aperture synthesis. It is a major issue in aperture synthesis of DH. Currently intensity images are utilized to find the registration positions of sub-holograms in aperture synthesis. To improve the accuracy of registration positions, we proposed a method based on similarity calculations of the phase images between sub-holograms instead of intensity images. Furthermore, a quantitative indicator, degree of image distortion, was applied to evaluate the synthetic results. Experiments are performed and the results verify that the proposed phase-image-based method is better than the state-of-the-art intensity-image-based techniques in the estimation of registration positions and provides a better synthesized final three-dimensional shape image.
digital holography synthetic aperture registration position phase image Chinese Optics Letters
2021, 19(7): 070501
1 陕西中医药大学药学院基础化学教研室, 陕西 西安 712046
2 陕西中医药大学协同创新中心, 陕西 西安 712046
3 陕西中医药大学附属医院肿瘤科, 陕西 咸阳 712000
癌症治疗一直是现代医学界最大的难题之一。因为放疗和化疗会带来一定的副作用,因此,通过静脉注射光热剂使其在肿瘤组织中积累,进而在近红外光照射下产生足够的热量来消融实体肿瘤的光热治疗法引起了研究人员的广泛关注。该方法由于具有照射光易聚焦和调整的特性而使得局部治疗过程能够以非侵入、直接和精准的方式进行。这篇综述首先归纳了近年来基于光热转换纳米材料的光热剂在消融实体肿瘤研究方面的主要进展,然后总结了提高光热治疗效果的不同策略,最后讨论了基于光热转换纳米材料的肿瘤光热治疗在临床应用方面面临的局限性和挑战。
材料 光热效应 光热转换纳米材料 近红外光 光热治疗 肿瘤治疗 激光与光电子学进展
2020, 57(17): 170005
上海交通大学电子信息与电气工程学院, 上海 200240
数字全息测量具有准确度高、非接触和全场测量等优点。单波长数字全息测量主要适用于高度变化在微米级的连续性形貌物体,而基于双波长干涉技术的多波长数字全息技术可测量形貌更复杂、高度方向变化更陡峭的物体,大大扩展了数字全息计量技术的应用范围。近年来,多波长数字全息的研究发展有两个主要方向:一是与实际需求相适应的新的测量方式和/或光路;二是图像处理方面包括降噪、数值重建和相位畸变修正等的新技术新方法,使计算效率和测量准确度得到明显改善。
数字全息术 双波长技术 形貌测量 数字图像处理技术 激光与光电子学进展
2020, 57(10): 100002
1 上海交通大学 电子信息与电气工程学院, 上海 200240
2 南京理工大学 江苏省光谱成像与智能感知重点实验室, 江苏 南京 210094
对近年来数字全息及散斑干涉技术在形变与位移测量方面的主要技术发展及应用发展进行综述。由于数字全息测量具有准确性高、无损、全场和动态测量等优点, 成为形变和位移测量的重要技术之一。最近几年, 数字全息技术在形变测量领域的发展主要体现在如下几个方面。首先, 数字全息形变测量逐步由原来单一维度的形变测量转向多维度的形变测量。尤其是三维形变的同时测量是近年来本领域的研究重点。其次, 形貌形变联合测量的技术受到关注。实际应用中曲面物体常常存在。而曲面物体需要离面与面内形变的分析, 这需要获取曲面物体的形貌信息。针对这一需求, 学者们针对形貌形变的同时测量方法开展了研究。再次, 为了进一步扩大测量视场和深度范围, 对基于长波长及远距离的技术进行了探索。与此同时, 回顾了数字全息的形变测量技术在应用方面的进展。值得关注的是, 在应用方面, 数字全息技术从以前工程领域的形变测量向生物医学领域的形变测量发展, 测量数据用于生物医学领域疾病分析与研究。
数字全息 散斑干涉 形变测量 位移测量 digital holography digital speckle interferometry deformation measurement displacement measurement 红外与激光工程
2019, 48(6): 0603010
Author Affiliations
Abstract
Department of Instrument, School of Electronic Information and Electrical Engineering, Shanghai Jiao Tong University, Shanghai 200240, China
Digital speckle pattern interferometry (DSPI) is a high-precision deformation measurement technique for planar objects. However, for curved objects, the three-dimensional (3D) shape information is needed in order to obtain correct deformation measurement in DSPI. Thus, combined shape and deformation measurement techniques of DSPI have been proposed. However, the current techniques are either complex in setup or complicated in operation. Furthermore, the operations of some techniques are too slow for real-time measurement. In this work, we propose a DSPI technique for both 3D shape and out-of-plane deformation measurement. Compared with current techniques, the proposed technique is simple in both setup and operation and is capable of fast deformation measurement. Theoretical analysis and experiments are performed. For a cylinder surface with an arch height of 9 mm, the error of out-of-plane deformation measurement is less than 0.15 μm. The effectiveness of the proposed scheme is verified.
120.4570 Optical design of instruments Chinese Optics Letters
2018, 16(11): 111202
中北大学仪器与电子学院仪器科学与动态测试教育部重点实验室, 山西 太原 030051
提出了一种基于扩展卡尔曼滤波的惯性导航系统(INS)/光流/磁强计/气压计组合导航方案。将INS、光流和气压计数据融合, 估计无人机(UAV)的速度和位置。当UAV静止或匀速运动时, 将陀螺仪与加速计、磁强计、光流的数据融合, 估计UAV的姿态。当UAV加速或减速时, 用陀螺仪估计UAV的姿态。实验结果表明, UAV的速度误差从最大20 m/s减小到了10 m/s, 角度误差从最大80°减小到了10°。该方案可以有效解决速度、位置和姿态估计的累积误差问题。
遥感 无人机 惯性导航 光流传感器 磁强计 气压计 扩展卡尔曼滤波 激光与光电子学进展
2017, 54(2): 022801
1 长春理工大学 光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 中国科学院空间应用工程与技术中心,北京 100094
空间光学载荷在飞行任务期间受复杂热环境的影响,部分关键部件如光学镜体及其内部支撑结构由于温度变化带来的热变形会对载荷整体性能产生重要影响。精确模拟空间外热流作用下的载荷飞行和关键部件在给定温度场下的结构变形,可为其热设计、结构设计提供科学依据和有效支撑。以某空间光学载荷为例,基于Sinda/Fluint和Patran仿真分析软件,通过仿真流程开发,提出了基于同一有限元网格的机热联合仿真方法。经过与现有方法的比较,前者能够实现温度场参数在软件间的无误差传递,能较为准确地得出预示温度下全场热变形结果,保证了空间光学载荷的热变形仿真精度,提高了计算效率。
空间光学载荷 热变形 接口开发 联合仿真 space optical payload thermal deformation interface development combined with simulation
