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    1. 计算成像内涵与体系(特邀)
    邵晓鹏, 苏云, 刘金鹏, 刘飞, 李伟, 席特立
    光子学报    2021, 50 (5): 511001-0511001.   doi: 10.3788/gzxb20215005.0511001
    摘要1221)   HTML49)    PDF (10884KB)(1462)   

    传统光电成像技术受工业化设计思想限制,性能已近极限,难以满足信息时代下越来越高的应用需求。计算成像技术是信息时代发展的必然,在信息获取、传递和解译等过程中与数学计算、信号处理深度耦合,可有效突破光学成像过程中物理信息获取难、建模难和解算难的瓶颈,同时在信息的维度、尺度和分辨率等方面皆可实现质的突破。尽管计算成像发展很快,但目前仍呈现出碎片化、分散化的态势,缺乏系统性的体系引领其技术发展。因此,凝练计算成像技术的概念和内涵,建立计算成像技术体系分类,分析待解决的共性基础问题和关键技术,尤其是非线性成像模型问题;从更远作用距离、更高成像分辨率、更广视场和更小光学系统四个典型需求进行剖析,对超大口径及超衍射极限、仿生光学、光场信息深度解译、计算光学系统设计以及计算探测器应解决的关键问题进行阐述。本文提供了一种全局视角,将更好地推动计算成像技术的发展和应用进程。

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    2. 阿秒脉冲产生和测量技术研究进展(特邀)(封面论文)
    王虎山, 曹华保, 皮良文, 黄沛, 王向林, 徐鹏, 袁浩, 刘鑫, 王屹山, 赵卫, 付玉喜
    光子学报    2021, 50 (1): 132001-0132001.   doi: 10.3788/gzxb20215001.0132001
    摘要726)   HTML71)    PDF (4000KB)(670)   

    阿秒脉冲光源诞生于21世纪初,是同时具有阿秒时间和纳米空间分辨率的全相干光源,在近20年的时间里,推动了阿秒科学研究不断取得显著的进展和突破。阿秒脉冲为物理、化学、生物、材料、信息等领域的发展提供了全新研究手段和重要创新机遇。本文介绍了阿秒脉冲的重要发展历程,主要综述并总结了高次谐波、阿秒脉冲产生以及阿秒脉冲测量的关键技术和现状,最后对阿秒脉冲研究的发展进行了展望。

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    3. 单分子定位超分辨显微成像技术研究进展及展望(特邀综述)
    安莎, 但旦, 于湘华, 彭彤, 姚保利
    光子学报    2020, 49 (9): 918001-0918001.   doi: 10.3788/gzxb20204909.0918001
    摘要689)   HTML ( )      PDF (27471KB)(529)   
    随着新型荧光探针、先进激光、高灵敏光电探测器等相关领域的不断发展,突破衍射极限的超分辨光学显微技术为现代生物医学研究提供了新的有力工具,其中的单分子定位技术利用荧光分子的光开关效应,实现了亚细胞结构的纳米精度超分辨成像.本文介绍了单分子定位超分辨显微技术的基本原理与实现,例举了其在细胞生物学、组织生物学以及神经科学等方面的应用,讨论了该技术目前的发展趋势及可能的改进方向,为相关领域科学研究提供参考.超分辨光学显微技术的不断创新将推动生命科学的新发展.
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    4. 用于皮秒激光切割的贝塞尔镜头研究
    魏张帆, 孙川, 郭凯, 陈明, 黄立华, 曾爱军, 黄惠杰
    光子学报    2020, 49 (10): 1022001-1022001.   doi: 10.3788/gzxb20204910.1022001
    摘要614)   HTML90)    PDF (3122KB)(795)   

    设计并研制了一套用于激光切割的贝塞尔镜头及光束检测系统.此外,采用设计的贝塞尔镜头与中心波长为1 064 nm的皮秒脉冲激光器产生皮秒贝塞尔光束,对厚度为1 mm的硅酸盐玻璃进行了切割实验.结果表明,一定直径的高斯光束入射到此贝塞尔镜头上,产生的贝塞尔光束中心主瓣直径和无衍射传输距离分别达到3.4 μm和2.46 mm;切割实验中,玻璃分离前的表面微孔直径不超过设计的贝塞尔光束中心主瓣直径.本文设计的贝塞尔镜头及光束检测系统能够满足激光切割应用要求.

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    5. 融合全卷积神经网络和视觉显著性的红外小目标检测
    刘俊明, 孟卫华
    光子学报    2020, 49 (7): 710003-0710003.   doi: 10.3788/gzxb20204907.0710003
    摘要579)   HTML ( )      PDF (1924KB)(312)   
    为提高复杂背景和噪声干扰下红外小目标检测性能,提出了融合深度神经网络和视觉目标显著性的单阶段红外小目标检测算法.首先设计了基于编码器-解码器架构的轻量级全卷积神经网络对红外图像进行分割,实现背景抑制和目标增强;然后利用红外小目标的显著性特征进一步抑制虚警;最后采用自适应阈值法分离出小目标.网络结构中通过引入多个下采样层降低计算量并增大感受野;通过引入多尺度特征提升背景抑制能力;通过引入注意力机制提升模型训练效果.在真实红外图像上的测试表明,本文算法在检测率、虚警率和运算时间等方面都优于典型红外小目标检测算法,适合进行复杂背景下的红外小目标检测.
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    6. 自由曲面车载抬头显示器的光学设计及公差分析
    张杨柳, 苏宙平, 潘红响, 陈兴涛, 张文裕
    光子学报    2020, 49 (9): 922002-0922002.   doi: 10.3788/gzxb20204909.0922002
    摘要444)   HTML ( )      PDF (18391KB)(254)   
    设计了一种自由曲面车载抬头显示器(Head-up Display,HUD)光学系统.在HUD光学系统初始结构设计中,基于种子曲线扩展算法,对HUD中两个自由曲面上的采样数据点进行计算,并拟合成扩展多项式.将设计的HUD光学系统初始结构进行光线追迹,验证了设计结果.结果表明,在0.5 mm光线采样间隔下,初始光学系统的性能达到了衍射极限,可作为进一步全视场优化的起点.对系统进行优化,利用多重结构模拟人眼在孔径光阑移动范围(眼动范围)内的观察情况,对于不同的孔径光阑位置,光学系统的调制传递函数在6 lp/mm下均大于0.5,接近衍射极限,并且系统畸变小于2%.最后对系统中的自由曲面反射镜进行面形公差分析,两个曲面在其各自面形公差峰谷值分别为0.42 μm和0.62 μm下的调制传递函数均高于0.3,完全满足现在自由曲面加工精度.
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    7. 结合光场深度估计和大气散射模型的图像去雾方法
    高隽, 褚擎天, 张旭东, 范之国
    光子学报    2020, 49 (7): 710001-0710001.   doi: 10.3788/gzxb20204907.0710001
    摘要432)   HTML ( )      PDF (2526KB)(282)   
    目前大部分基于物理模型的图像去雾算法存在复原图像色彩失真和天空边界区域出现光晕效应的问题.为了解决这些问题,本文提出了一种将光场深度计算与大气散射模型相结合的图像去雾方法.该方法通过光场极平面图像计算得到场景深度,将场景深度信息计算所得的透射率与暗通道透射率融合得到最终透射率.同时利用场景深度对天空边界进行判定,单独对天空区域进行处理.在合成雾天图像和真实雾天图像上的实验结果表明,与现有的单幅图像去雾算法相比,本文提出的方法在峰值信噪比以及结构相似性上均有提升.同时对去雾之后的图像的色彩保真度以及光晕效应的抑制方面都取得了较好的结果.
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    8. 基于空间光调制器的飞秒激光深微孔加工方法
    宋昶, 杨小君, 赵卫, 段雨飞
    光子学报    2020, 49 (8): 814001-0814001.   doi: 10.3788/gzxb20204908.0814001
    摘要429)   HTML ( )      PDF (1910KB)(183)   
    针对飞秒激光振镜加工系统中聚焦透镜焦深短等原因导致微孔加工深度不足的问题,提出了一种基于高损伤阈值空间光调制器加载菲涅尔透镜相位进行焦点轴向调控的加工方法.通过加载不同焦距的菲涅尔透镜相位图,控制焦点以100 μm为间隔进行焦点轴向位移,随着加工深度的增加控制焦点向下移动,并开展了相应的实验加工和测试.实验结果表明,采用该方法在保证高加工质量的前提条件下,在厚度为2 mm的不锈钢样件上实现了直径约为330 μm的微孔加工.该方法开辟了二维振镜系统实现超深微孔加工的新探索,在激光加工领域有较好的应用前景.
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    9. 基于特征融合的遥感图像舰船目标检测方法
    史文旭, 江金洪, 鲍胜利
    光子学报    2020, 49 (7): 710004-0710004.   doi: 10.3788/gzxb20204907.0710004
    摘要416)   HTML ( )      PDF (2755KB)(235)   
    针对常用的目标检测算法对遥感图像中的舰船目标进行检测时存在检测精度与实时性兼顾不佳的问题,提出了基于特征融合的遥感图像舰船目标检测算法来检测复杂场景下的多尺度舰船目标.该算法以多尺度单发射击检测框架为基础,增加反卷积特征融合模块和池化特征融合模块,增强网络特征提取的能力.同时设计聚焦分类损失函数来解决训练过程中正负样本失衡的问题.在高分遥感舰船目标数据集上的实验结果表明,所提方法能够有效地增强复杂场景下舰船目标的检测精度.此外,该算法对遥感图像中的模糊舰船目标的检测效果也优于多尺度单发射击检测框架.
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    10. 强场太赫兹光源及其物质调控研究(特邀)
    田野, 郭丝霖, 曾雨珊, 宋立伟, 冷雨欣, 李儒新
    光子学报    2020, 49 (11): 1149001-1149001.   doi: 10.3788/gzxb20204911.1149001
    摘要415)   HTML42)    PDF (4903KB)(361)   

    介绍了基于超快激光的强场太赫兹波产生技术、探测技术及其在物质调控研究中的应用.强场太赫兹波的产生机制主要包括:晶体非线性效应、激光等离子体相互作用、太赫兹自由电子激光等.太赫兹波的探测技术包括:电光采样探测、空气偏压相干探测和单发探测等.最后介绍了强场太赫兹光源在物质调控研究中的应用,特别指出将强场太赫兹光源与第四代X射线光源相结合,在物性表征和调控方面具有广阔的应用前景.

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    11. 基于伪模态转换的红外目标融合检测算法
    安浩南, 赵明, 潘胜达, 林长青
    光子学报    2020, 49 (8): 810002-0810002.   doi: 10.3788/gzxb20204908.0810002
    摘要388)   HTML ( )      PDF (3753KB)(222)   
    为提高红外图像目标检测的精度和实时性,提出一种基于伪模态转换的红外目标融合检测算法.首先,利用双循环的生成对抗网络无需训练图像场景匹配的优势,获取红外图像所对应的伪可见光图像;然后,构建残差网络对双模态图像进行特征提取,并采取add叠加方式对特征向量进行融合,利用可见光图像丰富的语义信息来弥补红外图像目标信息的缺失,从而提高检测精度;最后,考虑到目标检测效率问题,采用YOLOv3单阶段检测网络对双模态目标进行三个尺度的预测,并利用逻辑回归模型对目标进行分类.实验结果表明,该算法能够有效地提高目标检测准确率.
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    12. 基于视场权重的激光雷达几何因子计算方法
    张寅超, 王琛, 陈和, 陈思颖, 郭磐
    光子学报    2020, 49 (10): 1001001-1001001.   doi: 10.3788/gzxb20204910.1001001
    摘要368)   HTML12)    PDF (1348KB)(103)   

    为了解决传统激光雷达几何因子计算方法存在偏差的问题,通过几何光学推导出望远镜中全视场和半视场的视场函数,通过对均匀发射激光光束区域的视场函数二重积分与激光光束截面积的比值得到几何因子.考虑激光光轴倾斜失调的影响,推导出大气探测同轴激光雷达的几何因子计算公式.根据所提出的计算公式对典型大气探测同轴激光雷达的几何因子进行计算,并与传统方法进行了对比,结果显示最小全重叠距离一致.最后分析了与激发发射相关的激光光束直径、发散角和激光光轴倾斜角对几何因子的影响,结果表明激光发散角的影响比光束直径更大.该方法适用于均匀分布激光发射光束的激光雷达几何因子快速计算,可为激光雷达的光机设计提供参考.

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    13. 基于光学时延补偿的50 km光纤微波频率传递
    赵粹臣, 赵文宇, 薛文祥, 全洪雷, 闫露露, 郭文阁, 姜海峰, 张首刚
    光子学报    2020, 49 (8): 806002-0806002.   doi: 10.3788/gzxb20204908.0806002
    摘要356)   HTML ( )      PDF (1398KB)(151)   
    报道了利用50 km光纤实现4.38×10-15@1 s和2.80×10-18@65.5×103 s稳定度的微波频率传递的实验研究.实验系统采用多普勒噪声消除技术,通过在本地端探测往返传递的微波信号相位获得链路上的相位变化信息,并实时控制光延迟调整机构进行补偿.光延迟控制采用压电陶瓷的快速拉伸和慢速光纤温控联合方式,可实现5 ns和千赫兹带宽的光延迟控制,能够实现光纤噪声的长期高精度补偿.与电相位补偿相比,光延迟补偿受微波泄露的影响相对较小,而微波泄露影响在类似系统难以避免,因此这种方式更利于获得高稳定度的频率传递.此外,系统采用变频往返传递消除光寄生反射效应,以及色散补偿光纤减小因色散引起的调制信号衰减等措施,提高了系统的技术指标.
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    14. 基于深度学习的离轴菲涅耳数字全息非线性重构
    刘航, 肖永亮, 田军龙, 李红星, 钟建新
    光子学报    2020, 49 (7): 709001-0709001.   doi: 10.3788/gzxb20204907.0709001
    摘要343)   HTML ( )      PDF (2909KB)(245)   
    针对离轴菲涅耳数字全息图,提出基于深度学习的单幅数字全息非线性重构方法.采用经典的菲涅耳衍射积分模拟数字全息成像以供给网络训练所需样本,利用深度卷积残差神经网络通过学习数字全息图与相关物像之间的非线性数学映射关系实现全息图的物像重构.数值模拟表明,与传统的频率滤波和四步相移技术实现菲涅耳数字全息重构相比,本文提出的方法可直接消除零级像及孪生像,无需条纹物项抽取预处理步骤,且重构的物像具有较高的质量,针对相同记录参考光下不同衍射距离所生成的测试集亦具有较强的稳健性.
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    15. 分布式光纤传感中非线性对注入光功率的限制
    罗天明, 程炜仁, 程凌浩, 周黎明, 刘伟民
    光子学报    2020, 49 (8): 806003-0806003.   doi: 10.3788/gzxb20204908.0806003
    摘要340)   HTML ( )      PDF (1560KB)(156)   
    研究了G.652标准单模光纤中的自相位调制和受激布里渊散射两类光纤非线性效应导致的峰值功率限制.研究表明色散与自相位调制共同作用会引起脉冲波形的畸变,其作用大小主要取决于脉冲的峰值功率.受激布里渊散射则引起脉冲功率在光纤中的迅速衰落,进而限制传感距离,其作用大小主要取决于脉冲能量.实验结果表明,自相位调制对脉冲入射功率的限制作用更加明显.通过对实验数据的分析,给出了光纤非线性制约下光脉冲峰值功率上限值的经验性公式,可据此估算分布式光纤传感系统注入脉冲的最大功率.对于一个典型25 km分布式光纤传感系统,脉冲峰值入射功率上限值约为1 W.
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    16. 基于北斗卫星精密星历的中高轨望远镜测量精度标定方法
    陆长明, 高昕, 李希宇, 谢梅林, 李治国
    光子学报    2020, 49 (10): 1012001-1012001.   doi: 10.3788/gzxb20204910.1012001
    摘要334)   HTML7)    PDF (2566KB)(70)   

    针对中高轨碎片光电观测望远镜(简称中高轨望远镜)野外精度标定手段有限的难题,理论分析利用国产北斗导航卫星系统鉴定天文定位和轴系定位测量精度的方法,通过分析卫星覆盖性、轨道精度和亮度等因素研究方法的可行性.对定期公布的数据间隔约为5 min的精密星历进行拉格朗日插值处理,并进行坐标转换,解算望远镜观测时刻在天球赤道坐标系中卫星相对测站的视赤经和视赤纬以及卫星在测站坐标系中的方位值和俯仰值,作为理论真值鉴定天文定位和轴系定位测量精度.利用此方法检测某中高轨望远镜天文定位精度优于2″,轴系定位精度优于7″.

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    17. 有机-无机杂化卤化物钙钛矿材料稳定性及其在光电探测器方面的研究进展(特邀)
    姚丽娟, 方铉, 房丹, 高晨皓, 刘胜达, 李如雪, 王登魁, 魏志鹏, 王晓华
    光子学报    2021, 50 (1): 150001-0150001.   doi: 10.3788/gzxb20215001.0150001
    摘要333)   HTML19)    PDF (4167KB)(164)   

    有机-无机杂化钙钛矿材料(CH3NH3PbX3)因其具有载流子迁移率高、直接带隙结构、光电转换效率高等优异的光电性能,在太阳能电池、光电探测器、发光二极管及激光器等光电子领域具有重要应用前景。然而,有机-无机杂化钙钛矿材料的稳定性问题是现阶段限制其进一步应用的瓶颈。本文首先系统论述子外界环境因素(水氧、温度、光照等)对有机-无机杂化钙钛矿材料稳定性的影响因素与物理机制。其次,总结了目前改善及提高钙钛矿材料稳定性的主要方法和技术途径,如改进合成方法、离子掺杂、器件封装等手段。同时分析了其对基于有机-无机杂化钙钛矿材料光电探测器性能的影响。最后提出了该领域在实际应用中面临的挑战和发展策略。

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    18. 氧化铟掺铪红外透明导电薄膜
    田丰, 毕然, 赵雯媛, 韩锋博, 李雅丹, 郑传涛, 王一丁
    光子学报    2020, 49 (9): 931001-0931001.   doi: 10.3788/gzxb20204909.0931001
    摘要329)   HTML ( )      PDF (2696KB)(200)   
    采用射频磁控溅射与退火工艺相结合的方法,分别在石英和硒化锌(ZnSe)衬底上制备了掺铪氧化铟(IHfO)薄膜,掺杂比例In2O3:HfO2为98wt.%:2wt.%.测试了薄膜的组成结构和3~5 μm红外波段的光电性质,分析了退火温度、薄膜厚度和氧气流速对薄膜性能的影响.X射线衍射、扫描电子显微镜和X射线能谱表明,制备的IHfO薄膜具有氧化铟的立方体结构,掺杂铪并没有影响氧化铟的生长方向,但是减小了晶格间距,铪与铟外层电子形成新的杂化轨道.傅里叶变换红外光谱表明,随着退火温度的增加,IHfO薄膜在3~5 μm波段的透过率逐渐下降,沉积在ZnSe衬底上的薄膜具有更平稳的透过率,厚度为100 nm薄膜在3~5 μm波段平均透过率为68%.测试霍尔效应表明,随着氧气流速的增加,IHfO薄膜电阻率逐渐增加,载流子浓度减小,霍尔迁移率变化不明显.晶界散射是影响IHfO薄膜迁移率的主要因素,当氧气流速为0.3 sccm时,薄膜最佳电阻率为3.3×10-2Ω·cm.与透可见光波段的导电氧化铟锡(ITO)薄膜相比,制备的IHfO薄膜可以应用在3~5 μm红外波段检测气体,红外制导等领域.
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    19. 基于可调超表面的激光散斑抑制方法
    程进, 周顺, 孙雪平, 蒲欣欣, 孙其梁, 徐英舜, 刘卫国
    光子学报    2020, 49 (7): 724001-0724001.   doi: 10.3788/gzxb20204907.0724001
    摘要327)   HTML ( )      PDF (1742KB)(229)   
    为抑制激光散斑现象,利用时间平均抑制散斑理论的基本思想,设计了一个具有高透射率、随机相位功能的超表面结构,并结合MEMS技术实现了微纳旋转载台的设计制造,实现了超小型的散斑抑制器件制造.实验结果显示激光散斑对比度可降低至2.63%,满足激光投影领域使用需求.该激光散斑抑制器件使用方法简单、能量利用率高、成本低且易于批量制造.
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    20. 基于CPC的太阳模拟器聚光性能分析
    王昊, 付跃刚, 张国玉, 孙高飞, 刘石, 张健, 徐达, 吴凌昊, 杨俊杰
    光子学报    2020, 49 (12): 1223001-1223001.   doi: 10.3788/gzxb20204912.1223001
    摘要326)   HTML33)    PDF (1702KB)(207)   

    为解决现有太阳模拟器能量利用率低导致辐照度低的难题,依据太阳模拟器基本成像原理,提出利用复合抛物面聚光器(CPC)改进太阳模拟器的聚光系统.分析了CPC与传统聚光器的聚光机理,基于边缘光线原理推导了CPC的参数设计方法.利用LightTools软件结合嵌套的体光源与CPC建立聚光模型,分析了CPC理想最大接收角。建立椭球聚光镜与组合聚光系统的对比模型,验证了理论分析.通过截取分析得到最佳截取比来优化初始结构,进而确定CPC的最终结构.结果表明:氙灯应用在CPC中的能量利用率高达94.86%,且整个太阳模拟器的辐照度有很大提升.该研究能够为设计高能量利用率高辐照度的太阳模拟器提供参考.

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