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快照式显微光谱成像系统及水藻分类识别研究

激光与光电子学进展 2024年第6期61卷 331-337页

作者：李栋梁蔡红星任玉李霜花扬扬王婷婷周建伟曲冠男王朔曹洋铭张桁源长春理工大学物理学院吉林长春130022 长春理工大学吉林省光谱探测科学与技术重点实验室吉林长春130022 吉林求是光谱数据科技有限公司吉林长春130000

目前的显微光谱成像系统的探测模块主要以推扫型光谱成像仪为主,无法进行动态微观样本的观测。基于超材料宽谱调制型光谱成像技术体制,使用该原理研制的快照式光谱相机作为探测模块,其与显微镜模块形成新型的快照式显微光谱成像系统。... 详细信息

目前的显微光谱成像系统的探测模块主要以推扫型光谱成像仪为主,无法进行动态微观样本的观测。基于超材料宽谱调制型光谱成像技术体制,使用该原理研制的快照式光谱相机作为探测模块,其与显微镜模块形成新型的快照式显微光谱成像系统。该系统可实时获取样本的光谱曲线与光谱图像信息。同时利用该系统获取不同藻类的吸收光谱曲线,进一步使用基于支持向量机的图像分割识别算法,对水中的动态藻类样本进行识别。共测试样本80个,预测结果准确率为100%,召回率为65.52%,为快照式光谱成像技术在显微领域的应用奠定基础。

关键词：显微镜光谱成像快照式吸收光谱目标识别

基于可见/近红外光谱对葡萄可溶性固形物无损检测研究

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光散射学报 2024年第1期36卷 44-51页

作者：吴虹璋蔡红星任玉王婷婷周建伟李栋梁曲冠男长春理工大学物理学院吉林省光谱探测科学与技术重点实验室长春130022

葡萄中可溶性固形物是评价葡萄成熟度的重要指标,本文探究了基于可见/近红外光谱技术对多个品种葡萄(红提、巨峰、辽峰)可溶性固形物(Soluble Solid Content,SSC)含量进行定量分析。分别采集了三个葡萄品种在550~960 nm波长范围内的透... 详细信息

葡萄中可溶性固形物是评价葡萄成熟度的重要指标,本文探究了基于可见/近红外光谱技术对多个品种葡萄(红提、巨峰、辽峰)可溶性固形物(Soluble Solid Content,SSC)含量进行定量分析。分别采集了三个葡萄品种在550~960 nm波长范围内的透射光谱数据,采用Savitzky-Golay卷积平滑(S-G)、标准正态变换(Standard Normal Variate,SNV)、小波变换(WT)、一阶求导+S-G卷积平滑组合(1stDer+S-G)预处理方法,对比分析出最适合各个品种的预处理方法;然后在最佳的预处理方法下采用连续投影算法(SPA)、竞争性自适应重加权(CARS)对光谱进行特征波长选择;结合化学计量学方法分别建立多品种与单一品种的偏最小二乘回归(PLSR)、BP神经网络SSC含量无损预测模型。结果表明,基于BP-SPA建立的SSC含量模型最优,多个品种通用SSC含量预测模型的预测集相关系数(Rp 2)为0.85,表明基于可见/近红外光谱技术对多个葡萄品种SSC含量无损检测是可行的。

关键词：可见/近红外光谱可溶性固形物偏最小二乘无损检测 BP神经网络

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基于近红外光谱的衣物材质与含量检测研究

光散射学报 2024年第2期36卷 162-170页

作者：洪麟凯任玉谭勇王婷婷李腾长春理工大学物理学院吉林省光谱探测科学与技术重点实验室吉林长春130022

本文利用近红外光谱(Near infrared spectrum,NIR)技术,建立了一种衣物材质和含量检测模型。选择8种衣物样品与棉-涤混纺织物作为测试对象,通过对数据进行预处理、特征提取、分类识别和回归分析等步骤,建立了衣物材质和含量的检测模型... 详细信息

本文利用近红外光谱(Near infrared spectrum,NIR)技术,建立了一种衣物材质和含量检测模型。选择8种衣物样品与棉-涤混纺织物作为测试对象,通过对数据进行预处理、特征提取、分类识别和回归分析等步骤,建立了衣物材质和含量的检测模型。实验结果表明,最小二乘向量机所建立的定性判别模型准确性较高,运算时间更短。经二阶导数平滑与预处理后的棉-涤混合面料近红外光谱数据结合偏最小二乘法算法建立的定量分析模型有较好的精准度与稳定性,预测均方根误差达到了0.0019,满足了近红外快速检测的准确度要求。本文所建立的近红外检测方法具有环保、耗时短、成本低等优点,在衣物制造、质保和质检等领域都有一定应用价值。本研究为衣物材质和含量的检测提供了一种新的方法和思路,具有一定的理论和实际应用价值。

关键词：近红外光谱技术主成分分析偏最小二乘回归无损检测

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温变窗口光谱发射率对中波成像探测的影响

光学学报 2024年第13期 314-323页

作者：乐岩谭勇郁品一宦克为韩雪艳赵猛熊钟秀赵翔吕众曲冠男邵铭程相正长春理工大学物理学院长春理工大学吉林省光谱探测科学与技术高校重点实验室中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所光电对抗测试评估技术重点实验室

建立温变环境下红外窗口热辐射模型，模拟窗口外部环境受热场景，利用有限元法仿真不同温度点的热辐射度、温度分布及热应力分布；搭建红外窗口热辐射测量装置，在350～550 K范围内的多个温度点下，实验分别获得一种典型硫化锌红外窗口... 详细信息

建立温变环境下红外窗口热辐射模型，模拟窗口外部环境受热场景，利用有限元法仿真不同温度点的热辐射度、温度分布及热应力分布；搭建红外窗口热辐射测量装置，在350～550 K范围内的多个温度点下，实验分别获得一种典型硫化锌红外窗口的发射率和远距离323 K热源点经过该窗口后的中波红外图像，以此研究温度变化对窗口热辐射的影响和分析红外窗口热辐射对中波成像质量的影响。结果表明，硫化锌红外窗口材料热辐射度的仿真与实验结果基本吻合，在低温条件下光谱发射率随波长变化呈现上升趋势，而随着窗口温度的升高，光谱发射率呈下降趋势，热应力分布不均是引起中波成像性能下降的主要原因。该研究结果对筛选不同应用场景下的红外窗口的方法及应用有参考意义，为高温骤变环境下自适应光学的设计提供参考，有利于规避红外成像场景干扰。

关键词：光谱学光谱发射率热辐射度热应力分布硫化锌红外窗口

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基于逐点构建的自由曲面低畸变车载镜头设计

光学学报 2024年第14期 231-241页

作者：丁岩张乃文杨超薛常喜长春理工大学光电工程学院长春理工大学先进光学设计与制造技术吉林省高校重点实验室

为了解决在光学设计后期车载镜头难以在保持高分辨率的同时校正大视场光学系统畸变的问题，基于逐点构建的设计思路提出一种利用自由曲面校正车载镜头畸变且保证一定分辨率的方法。基于Snell定律，利用光线追迹的方式将光学系统畸变和... 详细信息

为了解决在光学设计后期车载镜头难以在保持高分辨率的同时校正大视场光学系统畸变的问题，基于逐点构建的设计思路提出一种利用自由曲面校正车载镜头畸变且保证一定分辨率的方法。基于Snell定律，利用光线追迹的方式将光学系统畸变和出射光线关联，对从出瞳发出的不同视场的主光线和不同孔径光线同时偏折，在保证一定分辨率的同时校正光学系统的畸变。通过逐点构建方法求解特征数据点坐标后，利用MATLAB软件拟合自由曲面轮廓，得到XY多项式系数。将得到的自由曲面透镜与满足分辨率要求但存在畸变的车载镜头相结合，通过Zemax软件进行仿真实验，结果显示，畸变明显下降，且保持了一定的分辨率要求。对车载镜头优化后，在92.08°×60.66°的大视场下系统的光学畸变从-10.00%降低到0.68%,TV畸变从-6.58%降低到0.01%以下，并且提高了系统的调制传递函数（MTF），足以匹配800万像素传感器。同时，还进行了相同位置处的自由曲面和非球面横向对比，对比结果体现了自由曲面在车载镜头中的优势，在畸变和MTF方面有着更好的表现。此外，对自由曲面车载镜头进行了不同视场的公差与良率分析，对球面、非球面和自由曲面分别采用叠加曲率、叠加泽尼克系数、加入面形PV的方式对面形公差进行分析，结果表明，在频率为59.5 lp/mm处平均MTF大于0.55的概率为90%，说明该系统易于加工与装调。

关键词：光学设计车载镜头自由曲面逐点构建畸变高分辨率

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变焦型双光路车载抬头显示光学系统设计

光学学报 2024年第14期 199-209页

作者：田曼力薛常喜长春理工大学光电工程学院长春理工大学先进光学设计与制造技术吉林省高校重点实验室

提出了一种变焦型双光路增强现实抬头显示光学系统，并利用矢量像差理论进行初始结构设计。该系统用两块图像生成单元搭建近光路和远光路，分别用于显示基础信息和交互信息，且远光路成像距离可在一定范围内进行连续调节，最终得到了一... 详细信息

提出了一种变焦型双光路增强现实抬头显示光学系统，并利用矢量像差理论进行初始结构设计。该系统用两块图像生成单元搭建近光路和远光路，分别用于显示基础信息和交互信息，且远光路成像距离可在一定范围内进行连续调节，最终得到了一个眼盒大小为120 mm×60 mm、视场角分别为5°×1°和10°×5°、成像距离分别为2.5 m和10～20 m的双光路车载抬头显示系统。本研究为增强现实抬头显示系统提供了一种新的设计结构，提高了增强现实显示效果。

关键词：光学设计抬头显示器增强现实变焦平面矢量像差理论

高亮度低色差裸眼三维显示中的谐衍射结构设计

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红外与激光工程 2024年第6期53卷 125-134页

作者：吕富国霍富荣薛常喜长春理工大学先进光学设计与制造技术吉林省高校重点实验室吉林长春130022 长春理工大学光电工程学院吉林长春130022

目前,裸眼3D显示技术仍存在亮度低、清晰度差、结构复杂和制造难度高等缺点。为此,提出了一种可同时精确调制RGB像素光线的具有较大周期宽度的离散化谐衍射结构,四组交织排列的谐衍射结构子单元旋转对称分布组成调制三维光场的位相调制... 详细信息

目前,裸眼3D显示技术仍存在亮度低、清晰度差、结构复杂和制造难度高等缺点。为此,提出了一种可同时精确调制RGB像素光线的具有较大周期宽度的离散化谐衍射结构,四组交织排列的谐衍射结构子单元旋转对称分布组成调制三维光场的位相调制面板。使用Tracepro软件对水平方向上两个特定位置处的体像素进行了分光模拟实验。分析了不同台阶近似以及光源斜入射时的衍射效率与总光效的关系,得到16台阶近似时入射角应小于10°的结论。设计的谐衍射结构提升了显示亮度和清晰度,降低了设计与制造难度。得到了一种具有两个观看视角、分离角度为9.4°、最佳观看位置距离屏幕为384.2~402.8mm的裸眼3D显示方案。

关键词：光学设计裸眼3D显示谐衍射光学元件衍射效率体像素

用于校正大视场共轴光学系统畸变的自由曲面设计方法

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红外与激光工程 2024年第6期53卷 106-114页

作者：丁岩张乃文杨超薛常喜长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长春理工大学先进光学设计与制造技术吉林省高校重点实验室吉林长春130022

大视场光学系统的畸变往往较为严重,畸变会导致图像的扭曲和变形,为了解决这个问题,提出了一种利用自由曲面校正大视场共轴光学系统畸变的设计方法,应用该方法可以在优化后期提升光学系统的指标。基于逐点法、矢量折射定律通过光线追迹... 详细信息

大视场光学系统的畸变往往较为严重,畸变会导致图像的扭曲和变形,为了解决这个问题,提出了一种利用自由曲面校正大视场共轴光学系统畸变的设计方法,应用该方法可以在优化后期提升光学系统的指标。基于逐点法、矢量折射定律通过光线追迹的方式,根据原有光学系统的出瞳位置和畸变情况,利用自由曲面对各视场主光线进行偏折,进而对畸变进行校正。给出了设计实例,分别拟合出了自由曲面和非球面。对比结果显示,相比于原系统,自由曲面的加入导致TV畸变从–6.3355%下降到0.0002%,相对照度从65.5%下降为50%,调制传递函数从0.54提高到0.64,蒙特卡洛分析90%概率调制传递函数从0.574提高到0.589。相比于相同位置的非球面,自由曲面对系统的畸变校正能力更强,降低了0.2109%,调制传递函数提升了0.06,并且更具有减小系统切向和矢向之间发散的优势,相对照度降低了0.2%,蒙特卡洛分析结果提升了0.002。证明了自由曲面设计方法对大视场共轴光学系统的畸变有着明显的校正作用,体现了自由曲面在大视场共轴光学系统中有着潜在的重要研究和应用价值。

关键词：光学设计自由曲面设计光线追迹畸变大视场共轴光学系统

基于太赫兹时域光谱系统共光路光纤耦合系统的设计及误差分析

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中国激光 2024年第8期51卷 166-175页

作者：李堂玥牟达夏鹏宇张悦谢蕙阳长春理工大学光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室光电测控技术研究所吉林长春130022 长春理工大学光电工程学院吉林长春130022 长春理工大学中山研究院广东中山528400

太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)是检测物质组成和变化的先进科学装置,可以准确定位和分析物质的微小变化,对物理学、化学、生物学等多个学科的发展产生了深远影响。光纤式THz-TDS在光路传播时具有能量传输损失少、结构紧凑等优点。在光纤... 详细信息

太赫兹时域光谱系统(THz-TDS)是检测物质组成和变化的先进科学装置,可以准确定位和分析物质的微小变化,对物理学、化学、生物学等多个学科的发展产生了深远影响。光纤式THz-TDS在光路传播时具有能量传输损失少、结构紧凑等优点。在光纤式THz-TDS的基础上,将双透镜和旋转延迟线结合,通过研究分析耦合效率理论和双透镜传输特性,利用光学软件ZEMAX设计了一款双透镜准直耦合收发一体共光路系统。为了得到更高的单模光纤耦合效率,研究分析了激光与光纤的耦合原理及耦合误差,并且绘制了耦合失配时的效率曲线。研究结果表明:高斯传播单模光纤的耦合效率达到了76.27%,可以满足稳定辐射太赫兹信号的要求,同时,光纤耦合效率的提高对于增大THz-TDS的太赫兹脉冲信号带宽具有一定帮助。

关键词：光纤光学光纤耦合收发一体太赫兹时域光谱系统单模光纤