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米散射浑浊水体偏振成像模型仿真研究

激光与光电子学进展 2024年第4期61卷 206-213页

作者：路淑芳张然陈永台褚金奎大连理工大学机械工程学院辽宁大连116086

为了研究浑浊水体对成像质量的影响,利用单次Mie散射理论和蒙特卡罗法,在融合几何光学成像的基础上提出一种理论分析方法。该方法分析不同波长的点光源在不同粒径不同浓度的浑浊水体环境传输时的成像特征。结果表明:波长分别为456 nm、5... 详细信息

为了研究浑浊水体对成像质量的影响,利用单次Mie散射理论和蒙特卡罗法,在融合几何光学成像的基础上提出一种理论分析方法。该方法分析不同波长的点光源在不同粒径不同浓度的浑浊水体环境传输时的成像特征。结果表明:波长分别为456 nm、524 nm、620 nm的点光源经相同的水体环境和无散射环境进行偏振成像传输时,波长为456 nm的点光源的成像效果最好;波长为456 nm的点光源经过散射粒径大小分别为1μm和2μm的浑浊水体时,线偏振光的成像效果优于圆偏振光,圆偏振光优于自然光;当穿过散射粒径为3μm、4μm、5μm的浑浊水体时,自然光成像效果最好,线偏振光成像效果最差。从理论上分析了不同波段的点光源经过不同水体进行偏振成像传输的成像效果,为水下偏振成像技术提供了新的思路和方法。

关键词：偏振传输可见光波段蒙特卡罗法水下成像偏振保持性

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基于电喷墨技术的多焦距曲面微透镜阵列制备

激光与光电子学进展 2024年第9期61卷 283-287页

作者：褚金奎刘瑞刘建英付佳新大连理工大学机械工程学院辽宁大连116023

随着微纳米工艺的发展,微光学元件的制备和应用成为重要研究方向。生物复眼具有视场大、体积小、动态特性好等优点。微透镜阵列是一种常用的仿生复眼的光学元件,具有广泛的应用场景。为此,提出了一种基于电喷墨打印技术制备多焦距的曲... 详细信息

随着微纳米工艺的发展,微光学元件的制备和应用成为重要研究方向。生物复眼具有视场大、体积小、动态特性好等优点。微透镜阵列是一种常用的仿生复眼的光学元件,具有广泛的应用场景。为此,提出了一种基于电喷墨打印技术制备多焦距的曲面微透镜阵列的工艺,所制备的多焦距微透镜阵列可以解决曲面基底和平面的图像传感器焦距不匹配引起的离焦模糊问题。首先基于电喷印技术制备平面的多焦距微透镜阵列,然后在表面形成抗粘层并倒模,得到微透镜阵列凹模,最后经负压弯曲注胶固化过程,制备了多焦距的曲面微透镜阵列。阵列的整体半径为6 mm,焦距范围为4.9~6.23 mm,总方向角大于60°。

关键词：集成光学器件多焦距曲面微透镜阵列电喷墨技术

硬化性腺病和浸润性导管癌组织的Mueller矩阵表征

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中国激光 2024年

作者：褚金奎丁晓涵陈永台黄波蒋冰辛本达大连理工大学附属肿瘤医院中国医科大学肿瘤医院辽宁省肿瘤医院病理科之江实验室前沿基础研究中心大连理工大学机械工程学院

Mueller矩阵偏振成像方法相比于传统的非偏振光学探测手段能体现生物组织更丰富的微观结构信息，在生物组织病变检测方面体现了巨大的应用潜力。本文以临床上容易误诊的乳腺硬化性腺病和早期浸润性导管癌组织为研究对象，采用Mueller矩... 详细信息

Mueller矩阵偏振成像方法相比于传统的非偏振光学探测手段能体现生物组织更丰富的微观结构信息，在生物组织病变检测方面体现了巨大的应用潜力。本文以临床上容易误诊的乳腺硬化性腺病和早期浸润性导管癌组织为研究对象，采用Mueller矩阵极化分解和变换方法提取了Mueller矩阵参数，利用最小包围球从分布范围的角度研究了Mueller矩阵参数在纤维化间质和细胞核两种不同结构下对两种疾病差异的表征效果。研究发现，在纤维化间质区域，Mueller矩阵分解参数R和R、θ、ψ，δ、θ、ψ，R、δ、ψ三种参数组合对两种疾病差异体现了较好的表征效果，四种表征参数下的最小包围球相对半径差依次为68.77%、61.33%、61.09%和61.04%。在细胞核区域，Mueller矩阵分解参数Δ及Δ、δ、θ参数组合对两种疾病差异体现了较好的表征效果，两种表征参数下的最小包围球相对半径差分别为57.36%和49.35%。结果表明，Mueller矩阵参数可用于对两种疾病差异的表征，为发展针对两种疾病的临床鉴别手段提供了参考。

关键词：生物医学偏振成像探测 Mueller矩阵参数硬化性腺病浸润性导管癌

基于Snell窗及偏振模式的水下载体航姿测量

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光学精密工程 2024年第12期32卷 1801-1811页

作者：辛润宏张然褚金奎巩文哲李云鹏程潇欧大连理工大学辽宁省微纳米系统重点实验室辽宁大连116024 大连理工大学宁波研究院辽宁大连116024 大连船舶重工集团有限公司辽宁大连116011

提出了一种在水下通过Snell窗获得偏振分布模式与天顶点坐标,进而得到水下载体的航姿信息(即航向角、横滚角与俯仰角)的方法。在载体上安装鱼眼镜头与偏振相机,在水下拍摄天空,得到偏振角分布模式。建立小孔成像模型得到相机的内外参数... 详细信息

提出了一种在水下通过Snell窗获得偏振分布模式与天顶点坐标,进而得到水下载体的航姿信息(即航向角、横滚角与俯仰角)的方法。在载体上安装鱼眼镜头与偏振相机,在水下拍摄天空,得到偏振角分布模式。建立小孔成像模型得到相机的内外参数矩阵以及镜头畸变系数,对偏振角分布模式进行畸变校正,进而得到太阳子午线特征区域,使用Canny算子检测得到特征区域边缘,由霍夫直线检测算法计算出太阳子午线与水下载体体轴夹角,得到航向角。通过实验得到不同光入射角与偏振角误差的函数关系,进行误差补偿,减小由于鱼眼镜头改变入射光偏振态带来的偏振角测量误差,进而提高太阳子午线与水下载体体轴夹角的测量精度。利用灰度阈值检测算法筛选出图像中的天顶点坐标,进而计算载体的横滚角与俯仰角,经过实验验证了算法的准确性。搭建了模拟水下环境的实验平台,实验结果表明:该方法得到的航向角平均绝对误差为0.5303°。在[-50°,50°]角度范围内,横滚角与俯仰角平均绝对误差为0.7544°与0.6213°,满足水下导航的精度需求。

关键词：水下导航 Snell窗偏振分布图像处理

基于多变量纳米线栅复合结构的可见光偏振调控

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应用光学 2024年第4期45卷 700-708页

作者：李亚红李满魏文浩褚金奎邹念育姜珊大连工业大学信息科学与工程学院辽宁大连116034 大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024

偏振调控技术能够直接满足偏光显微镜在可见光波段快速、高精度识别检测的需求,其关键是,在提高偏振消光比的同时,具有较高的光利用率。基于等效介质理论和谐振腔的共振增强机理,设计了一种多变量纳米线栅复合结构;采用时域有限差分方法... 详细信息

偏振调控技术能够直接满足偏光显微镜在可见光波段快速、高精度识别检测的需求,其关键是,在提高偏振消光比的同时,具有较高的光利用率。基于等效介质理论和谐振腔的共振增强机理,设计了一种多变量纳米线栅复合结构;采用时域有限差分方法,通过数值仿真,分析了纳米线栅各结构参数和偏振调控的变化关系,能够实现可见光波段宽角度入射、高透过率和高消光比的偏振快速调控功能;结合实验室现有条件,采用纳米压印技术进行样品制备和实验验证。实验和仿真结果表明:在入射角度±35°内,TM模偏振光的透射率和消光比分别高于60%和35 dB;并且在532 nm激光源垂直入射时,TM模偏振光的透射率和消光比与仿真结果误差范围为4%。与现有偏振显微镜设备中偏振器相比,所设计的纳米线栅偏振调控在保证高透过率的同时,消光比提升了1.5倍。

关键词：偏振调控纳米线栅等效介质理论时域有限差分偏振显微镜

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光栅干涉式触觉传感器

传感器与微系统 2024年第10期43卷 105-108,112页

作者：张春鹏褚金奎樊元义张然大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024

因光学式触觉传感器有着灵敏度高、抗干扰能力强等优点,提出了一种基于亚波长金属光栅干涉的触觉传感器。首先,基于等效介质理论和薄膜干涉理论对触觉传感器的传感原理进行介绍;接着,通过纳米压印工艺和真空蒸发镀膜工艺在柔性中间聚合... 详细信息

因光学式触觉传感器有着灵敏度高、抗干扰能力强等优点,提出了一种基于亚波长金属光栅干涉的触觉传感器。首先,基于等效介质理论和薄膜干涉理论对触觉传感器的传感原理进行介绍;接着,通过纳米压印工艺和真空蒸发镀膜工艺在柔性中间聚合物片材(IPS)表面制作亚波长金属光栅,通过光刻工艺用SU—8光刻胶将亚波长金属光栅以固定间距平行离面放置,使其透射光强随接触力的施加而改变;最后,对光栅触觉传感器进行一系列力加载实验,实验结果表明:该触觉传感器的平均力分辨率可达到0.0003N/Gray以上,平均测量误差为6.3%。通过小型化设计,可以用于机械手上实现触觉传感功能。

关键词：触觉传感器亚波长金属光栅纳米压印机械手

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仿生立体堆叠偏振探测结构中的超表面仿生层仿真设计

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光学与光电技术 2024年

作者：王若凡张然褚金奎大连理工大学机械工程学院

目前的大多数偏振探测系统都遇到了一个共同的问题，即无法在保证偏振探测的时间和空间分辨率的同时具有足够的集成度。为了解决这一问题，本文在前人偏振探测结构研究的基础上，提出了基于多层结构的仿生偏振探测器，并针对其中主要的... 详细信息

目前的大多数偏振探测系统都遇到了一个共同的问题，即无法在保证偏振探测的时间和空间分辨率的同时具有足够的集成度。为了解决这一问题，本文在前人偏振探测结构研究的基础上，提出了基于多层结构的仿生偏振探测器，并针对其中主要的偏振敏感超表面仿生结构进行设计。该结构可以模拟昆虫复眼，结合透明感光材料和金属光栅超表面结构构建三层偏振传感结构。通过在532 nm波长下设计优化偏振探测的超表面仿生层，确定了金属厚度为10nm下超表面仿生层可以获得最优的效果，即消光比为8 dB，并且通过仿真分析验证了其效果。该结构可以同时测量空间中一点入射光的多角度分量信息。通过多点组合检测，该结构还可以实现图形化检测。本文设计的新型仿生立体堆叠偏振探测器为未来更先进的偏振检测提供了可行的思路，可以实现更好的偏振检测。

关键词：偏振光超表面结构可见光波段光电探测器仿生

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融合天空偏振信息的集成化航姿参考系统设计

光学与光电技术 2024年

作者：褚金奎刘穗雨张钟元大连理工大学机械工程学院

昆虫/鸟类可以利用天空偏振信息与地磁进行导航，利用天空偏振光场作为信息源的仿生偏振导航具有实时性好，无累计误差的优点，可以提高AHRS的鲁棒性。该文将偏振光传感器、IMU及磁力计等模块进行软硬件集成，实现了该系统的集成化，并... 详细信息

昆虫/鸟类可以利用天空偏振信息与地磁进行导航，利用天空偏振光场作为信息源的仿生偏振导航具有实时性好，无累计误差的优点，可以提高AHRS的鲁棒性。该文将偏振光传感器、IMU及磁力计等模块进行软硬件集成，实现了该系统的集成化，并针对偏振信息易受干扰的问题，基于卡尔曼滤波和偏振度加权设计了“偏振光/地磁/惯性”融合算法，最后对该系统性能进行测试。在静态下姿态和航向的RMSE分别为0.24°，0.25°和0.25°；动态下姿态RMSE为0.49°和0.66°，无干扰条件下航向角RMSE为0.34°，在光路遮蔽干扰下，航向RMSE为0.39°，较偏振光传感器减小了40%，在软磁干扰下，RMSE为0.38°，较MTI系列AHRS减小了86.1%。结果表明该系统具有较高的航姿精度，具有很好的鲁棒性。

关键词：多源信息航姿参考偏振光导航环境干扰偏振度

基于手性超表面的宽波段圆偏振光电探测器的仿真设计

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微纳电子技术 2024年第10期61卷 53-58页

作者：张浩王守桐张然褚金奎大连理工大学机械工程学院辽宁大连116024

针对用于检测圆偏振光的超紧凑光电探测器的工作波段大多分布在近红外及中红外且工作波段较窄的问题,设计了一种具有较宽工作带宽的圆偏振光集成光电探测器。该探测器由石墨烯与手性超表面集成,当不同圆偏振光作用在手性超表面上时,会... 详细信息

针对用于检测圆偏振光的超紧凑光电探测器的工作波段大多分布在近红外及中红外且工作波段较窄的问题,设计了一种具有较宽工作带宽的圆偏振光集成光电探测器。该探测器由石墨烯与手性超表面集成,当不同圆偏振光作用在手性超表面上时,会产生不同程度的近场光学增强,利用手性超表面在较宽波段下的强偏振依赖性来增强探测器的偏振选择性。通过时域有限差分(FDTD)仿真及优化超表面结构,手性超表面在波长为577~797nm波段内的圆二色性≥0.18。设计的圆偏振光电探测器主要工作在可见光波段,工作带宽可以达到约220nm。该探测器的设计为单一片上偏振计检测更宽波段的圆偏振光提供了新的设想。

关键词：光电探测器圆偏振光手性超表面石墨烯宽波段可见光波段