1 昆明理工大学机电工程学院，云南 昆明 650500
2 云南省先进装备智能制造技术重点实验室，云南 昆明 650500
针对移动机器人在进行传统2D环境的定位时所存在的定位精度低且定位实时性差等问题，提出一种改进的迭代近邻点（ICP）算法的定位方法。首先，建立位姿搜索空间，采用由低到高的分辨率对搜索空间进行逐层搜索，并结合多点云密度进行部分点云扫描匹配，排除非最优位姿，加速搜索过程；在进行点云匹配中，采用帧对图的方式，有效地利用了历史帧信息；对得到的最优位姿进行稀疏矩阵位姿优化，进一步提高定位精度。在SLAM Benchmark数据集上进行测试，结果表明所提方法的算法效率是现流行的Cartographer算法的1.8倍到4.9倍之间，同时平移误差较小。并利用Turtlebot2机器人进行实际测试，结果表明所提方法的定位误差相比Cartographer和Gmapping均有明显的降低，且实时性较好；与传统的自适应蒙特卡罗重定位（AMCL）相比，平移误差均值降低了0.035 m，旋转误差均值降低了0.001 rad，具有较高的重定位精度。
激光雷达 移动机器人定位 多分辨率 迭代近邻点 多点云密度 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0811001
1 西北工业大学 无人系统技术研究院，陕西西安70072
2 中国人民解放军军事科学院 国防科技创新研究院，北京100850
针对室内弱纹理环境下基于点特征的视觉同步定位与建图（Simultaneous Localization and Mapping， SLAM）存在的轨迹漂移等问题，提出了一种融合点线特征的双目视觉SLAM系统，并对线特征的提取与匹配问题展开研究。为了提高线特征的质量，通过长度与梯度抑制、短线合并等方法，进一步改进LSD（Line Segment Detector）线特征提取方法。同时，通过将匹配问题转换为优化问题，并利用几何约束构建代价函数，提出了一种基于几何约束的快速线段三角化方法。实验结果表明，本文所提方法在多个数据集上的表现都优于基于描述子的传统方法，尤其在室内弱纹理场景下，其平均匹配精度达到91.67%，平均匹配时间仅需7.4 ms。基于此方法，双目视觉SLAM系统在弱纹理数据集上与已有算法ORBSLAM2，PL-SLAM的定位误差分别为1.24，7.49，3.67 m，定位精度优于现有算法。
双目视觉 线特征提取 视觉同步定位与建图 特征匹配 binocular vision line features vision simultaneous localization and mapping feature matching
1 中国科学院上海光学精密机械研究所空间激光传输与探测技术重点实验室，上海 201800
2 中国科学院大学材料与光电研究中心，北京 100049
3 上海中科神光光电产业有限公司，上海 201815
4 上海佘山地球物理国家野外科学观测研究站，上海 201602
分布式光纤多维定位对于周界安防、地震速报、目标跟踪等应用有着十分重要的意义。地震源或空气中声源波长与光纤探测孔径为同一量级，光纤传感通道无法对波场进行密集采样，难以实现精准定位。为了消除光纤大探测孔径对目标源多维定位的影响，提出了一种基于相位校正的分布式光纤大探测孔径多维定位方法。首先建立了光纤传感通道对目标源的响应模型，分析了光纤阵列相位误差来源，根据目标源预估计位置对光纤阵列采样信号进行相位校正；然后对校正后的信号进行空间谱估计并采用多次迭代降低定位误差。现场初步实验结果表明，所提方法能够有效实现对目标源的二维定位，定位结果与实际测量位置的误差为1.1 m。该方法可用于既有光缆，提高了分布式光纤传感系统在实际应用中的定位能力。
光纤光学 分布式声波传感 阵列信号处理 目标定位
南方科技大学生物医学工程系，广东 深圳 518055
由于衍射极限的存在，传统的光学成像手段无法观测细胞器结构及细胞器之间的相互作用。单分子定位显微成像技术作为三种超分辨技术中分辨率最高的成像技术，为生命科学领域的研究提供了重要手段。大视场高通量单分子成像技术具有分辨率高、成像范围大和成像时间短等特点，在生物医学领域广泛用于观察和分析复杂的生物结构和功能。从基于硬件扫描的拼接成像技术、基于大面阵sCMOS的大视场高通量成像技术、大景深单分子定位成像技术、高通量数据分析技术4个方面回顾近年来大视场高通量单分子定位技术的研究进展。最后，对大视场高通量单分子定位成像技术的发展方向进行展望。
高通量 大视场 单分子定位显微镜 超分辨成像 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618004
Author Affiliations
Abstract
1 Institute for Quantum Science and Technology, College of Science, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
2 Hunan Key Laboratory of Mechanism and Technology of Quantum Information, Changsha 410073, China
3 School of Physics and Astronomy, University of Glasgow, Glasgow G12 8QQ, UK
The 3D location and dipole orientation of light emitters provide essential information in many biological, chemical, and physical systems. Simultaneous acquisition of both information types typically requires pupil engineering for 3D localization and dual-channel polarization splitting for orientation deduction. Here we report a geometric phase helical point spread function for simultaneously estimating the 3D position and dipole orientation of point emitters. It has a compact and simpler optical configuration compared to polarization-splitting techniques and yields achromatic phase modulation in contrast to pupil engineering based on dynamic phase, showing great potential for single-molecule orientation and localization microscopy.
PSF engineering geometric phase single-molecule orientation and localization microscopy Chinese Optics Letters
2024, 22(3): 031103
国家纳米科学中心中国科学院纳米生物效应与安全性重点实验室，北京 100190
超分辨显微成像技术自诞生以来，凭借其优异的纳米级空间分辨率，已成为生命科学研究中精准揭示复杂生命现象的重要成像技术。其中，基于单分子定位的超分辨成像策略，使得定位、观察、研究单个探针分子独特的理、化、光学性能成为可能。偏振作为荧光信号的一个重要特性，近年来伴随着单分子三维取向成像技术的发展，逐步在单分子成像和超分辨领域中展示出诸多新颖且重要的应用特性。本文总结了单分子三维取向超分辨成像技术的最新进展，介绍并分析了两类主要的单分子三维取向荧光显微技术——基于荧光吸收与辐射偏振调制的单分子三维取向成像方法以及利用点扩散函数工程将单个荧光分子的三维取向信息编码到荧光图像上的成像策略。此外，还探讨了应用于活细胞或单颗粒的其他类型的超分辨取向成像技术。最后，针对单分子三维取向超分辨成像技术发展与应用前景面临的挑战，进行了总结与展望。
显微 单分子荧光 超分辨成像 单分子空间取向 单分子定位显微术 激光与光电子学进展
2024, 61(6): 0618015
1 福建师范大学医学光电科学与技术教育部重点实验室，福建 福州 350007
2 福建省光子技术重点实验室，福建 福州 350007
3 福建省光电传感应用工程技术研究中心，福建 福州 350007
4 广州工业智能研究院，广东 广州 511458
环境感知是无人驾驶的关键技术，针对相机缺乏深度信息无法定位检测目标以及目标跟踪精度较差的问题，提出一种基于相机与激光雷达融合的目标定位与跟踪算法。该算法通过图像检测框内的激光雷达点云簇在像素平面的面积比例大小获得检测目标的定位信息，然后根据检测目标的轮廓点云在像素坐标系下的横向移动速度和纵向移动速度融合图像检测框中心坐标提高目标跟踪精度。实验结果表明：所提目标定位算法正确率为88.5417%，且平均每帧处理时间仅为0.03 s，满足实时性要求；图像检测框中心横坐标的平均误差为4.49 pixel，纵坐标的平均误差为1.80 pixel，平均区域重叠率为87.42%。
传感器融合 机器视觉 3D激光雷达 目标定位 目标跟踪 激光与光电子学进展
2024, 61(8): 0828004
Author Affiliations
Abstract
1 Institute of Electromagnetics and Acoustics and Department of Physics, College of Physical Science and Technology, Xiamen University, Xiamen 361005, China
2 Department of Electrical and Computer Engineering, National University of Singapore, Singapore 117583, Singapore
3 School of Physical Science and Technology and Jiangsu Key Laboratory of Thin Films, Soochow University, Suzhou 215006, China
Vortex waves with orbital angular momentum (OAM) are a highly active research topic in various fields. In this paper, we design and investigate cylindrical metagratings (CMs) with an even number of unit cells that can efficiently achieve vortex localization and specific OAM selective conversion. The multifunctional manipulation of vortex waves and the new OAM conservation law have further been confirmed through analytical calculations and numerical simulations. In addition, we qualitatively and quantitatively determine the OAM range for vortex localization and the OAM value of vortex selective conversion and also explore the stability for performance and potential applications of the designed structure. This work holds potential applications in particle manipulation and optical communication.
vortex waves cylindrical metagratings vortex localization high-efficiency transmission vortex selective conversion Chinese Optics Letters
2024, 22(3): 033601
Author Affiliations
Abstract
1 Ningbo Institute of Materials Technology and Engineering, Ningbo 315201, China
2 University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
AlGaN-based light-emitting diodes (LEDs) on offcut substrates enhance radiative emission via forming carrier localization centers in multiple quantum wells (MQWs). This study introduces the carrier transport barrier concept, accessing its impact on the quantum efficiency of LEDs grown on different offcut sapphire substrates. A significantly enhanced internal quantum efficiency (IQE) of 83.1% is obtained from MQWs on the 1° offcut sapphire, almost twice that of the controlled 0.2° offcut sample. Yet, 1° offcut LEDs have higher turn-on voltage and weaker electroluminescence than 0.2° ones. Theoretical calculations demonstrate the existence of a potential barrier on the current path around the step-induced Ga-rich stripes. Ga-rich stripes reduce the turn-on voltage but restrict sufficient driving current, impacting LED performance.
carrier localization step-bunching potential barrier offcut substrate DUV LEDs Chinese Optics Letters
2024, 22(2): 022501
郑州大学电气与信息工程学院河南省激光与光电信息技术重点实验室，河南 郑州 450001
二维光子Moiré超晶格拥有一些常规光子晶体不具备的特性，例如平带特征和不同于安德森局域化的光局域现象。本文利用多光束干涉法构建二维光子Moiré超晶格结构，采用有限元法对其能带结构及光场特性进行研究。通过优化Moiré晶格厚度、空气孔半径对其平带及局域特性的影响，得到了高局域特性的Moiré晶格结构。研究中发现，正方晶格具有不同于六角晶格的准狄拉克锥光局域化效应。本文研究结果对发展高性能微纳结构器件具有重要参考价值。
光子晶体 光子Moiré超晶格 多光束干涉 平带 光局域
