光学器件与系统设计

• 用于机器视觉的高分辨率双视场双远心镜头设计

  叶承轩;陈子坤;徐智谋;王双保;张学明;

  双远心镜头所具有的低畸变、大景深等优点，与机器视觉中高成像质量和多场景应用需求相匹配，利用Zemax仿真设计了一款可用于机器视觉的高分辨率双视场双远心镜头。将该双远心系统分为固定结构和可拆卸结构的两部分，通过翻转可拆卸结构，即可在保证高分辨率和高远心度的同时改变系统的光学放大率，提高了远心镜头在多个应用场景的适用性。所设计的具有双视场双远心镜头在可见光波段（486～656nm）内，平均弥散斑半径小于9??m，各视场远心度均小于0.015°，畸变率低于0.1%，调制传递函数在75lp/mm时大于0.4，各视场波像差均小于λ/4。性能能够满足实际应用要求。

  2026年01期 v.52;No.297 1-6页 [查看摘要][在线阅读][下载 1631K]
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• 基于斜入射光反射差技术的成像系统设计及应用

  宋超;李慧敏;张浩;赵昆;苗昕扬;詹洪磊;

  研究提出一种基于斜入射光反射差（OIRD）技术的新型快速成像系统，应用于表界面物理化学动态过程的高分辨率实时监测。系统包含光源、光路系统、样品台和检测系统四个部分，在此基础上融合信号处理技术，实时输出OIRD图像，实现微米级尺寸的横向分辨率。将OIRD成像系统应用于盐溶液沉积晶体形貌分析、油水乳状液表征、以及表面活性剂液滴蒸发过程中的马兰戈尼涡流，实现了固体表面静态表征和液体体系动态过程监测，为表面成像、界面反应、多相体系演化等提供了非标记、高时空分辨的原位表征工具。

  2026年01期 v.52;No.297 7-11页 [查看摘要][在线阅读][下载 1393K]
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• 具有大成像深度高层析能力的高分辨率共聚焦显微物镜设计

  葛亚雯;杨照清;薛萌;郭汉明;

  针对在体皮肤光学层析成像中MEMS振镜扫描系统与高层析能力物镜的匹配难题，设计了一款工作波段为830nm的高分辨率共聚焦显微物镜，旨在克服因生物组织球差导致的成像深度受限与跨介质像差平衡问题。设计采用基于皮肤多层光学模型的多目标优化方法，在2mm入瞳直径的约束下，实现了成像深度达到300μm，横向分辨率优于0.83μm，轴向分辨率优于4.05μm，全视场波前误差优于λ/16，在皮肤表面及各组织深度处的MTF均与衍射极限紧密贴合。该设计通过多深度像差协同优化,为便携式在体皮肤光学层析成像系统提供了可靠的光学解决方案。

  2026年01期 v.52;No.297 12-17页 [查看摘要][在线阅读][下载 1347K]
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• 紧凑型大孔径长波红外连续变焦镜头设计

  曹来书;谢晓娜;张军光;蒋威;

  针对红外目标探测等森林防火的实际需求，用640×512,17μm平面探测器，实现对大范围目标进行搜索，设计了变倍比为9×连续变焦光学系统，其工作波长是8～12μm,F数为0.99～1.25，实现了25～225mm范围内连续变焦，系统由4个锗透镜和2个硫系玻璃透镜组成，采用机械正组补偿变焦系统，引入非球面进行系统像差校正。f25～225mm范围内连续变焦，空间频率在30lp/mm下MTF调制传递函数中心在0.4以上，其中长焦在0.38，各个焦距段达到衍射极限。利用ZEMAX光学软件-进行光学设计以及成像质量的计算。实验表明该系统具有高分辨率、大光圈、大靶面的特点，且像面稳定，像质优良，变焦平滑，结构紧凑合理，可用于国防、防火救灾、地质勘探等全天候监控。

  2026年01期 v.52;No.297 18-24页 [查看摘要][在线阅读][下载 1438K]
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• 一款用于电机定子检测的工业内窥镜头设计

  龙邹荣;丁超;刘晨希;欧阳博文;米建华;金吉清;朱泽翔;王建旭;蒋上海;

  随着新能源汽车的发展，越来越多人关注并购买。而新能源汽车在生产制造过程中会配有许多微型电机，这些微型电机定子的检测就可能需要用到工业内窥镜。目前市面上大多工业内窥镜视场角大于100°，虽然视场角增大有利于提高观测范围，但畸变也会越大，后续的图像处理就越复杂，对于微型电机定子而言，内部空间狭窄且为管道结构，所需观测范围不大，因此不适用于对其的检测。文章设计了一种专用于微型电机定子内部检测的工业内窥镜光学系统，其视场角为64°，搭配20mm的工作距离，所具有的观测范围恰好能覆盖内部整体空间。该设计由6块球面镜组成，制造成本低,整个光学系统总长为60mm,焦距为3.99mm,F数为3.3，畸变大于-20%，相对照度接近1，在奈奎斯特频率105lp/mm处，所有视场的调制传递函数均大于0.65。经过图像模拟，整体成像质量较好。最后由公差分析结果表明，该系统结构合理，满足生产要求，同时对新能源汽车的发展具有一定意义。

  2026年01期 v.52;No.297 25-31页 [查看摘要][在线阅读][下载 1394K]
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激光技术及应用

• 重复频率GHz超短脉冲锁模激光器的研究进展

  陈腾;刘晓萌;王将;陈唐涵;郭和庆;张圣梓;向军;葛北鱼;

  GHz以上重复频率的超短脉冲锁模激光器正处于快速发展的阶段，预计将为激光技术的应用带来更大的创新与突破。这类激光器不仅在重复频率和脉冲宽度上实现了突破，还在稳定性和输出功率上得到了增强。为了满足各类高端应用需求，研究者们不断探索新的架构和技术，以提高激光系统的整体性能。文章将从高重复频率和超短脉冲这两个重要的激光指标来简要论述近年来国内外的部分研究工作。分别介绍了重复频率GHz以上的超短脉冲锁模光纤激光器和固体激光器的发展状况及应用。

  2026年01期 v.52;No.297 32-41页 [查看摘要][在线阅读][下载 1344K]
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• 飞秒啁啾高斯型脉冲在V型能级中的相干积累

  伏振兴;张敏;刘碧蕊;

  基于线性啁啾高斯型脉冲串与V型原子系统的相互作用过程，探究了粒子布居的积累效应及相干布居转移的量子相干调控。在满足激光重复周期小于原子弛豫时间的条件下，选取适量的脉冲序列，即可实现粒子布居数在能级间的逐渐积累。采用高精度修正的四阶龙格-库塔法，对描述该相互作用的密度矩阵方程进行直接数值求解。研究结果表明，在脉冲串的光学参量保持不变的情况下，调整高斯脉冲串的啁啾因子或失谐量，会导致激发态上的粒子布居转移首次到达的峰值高度、振荡幅度及振荡次数均发生变化，同时粒子布居积累过程中的稠密宽度也随之变化。这一现象揭示了啁啾因子和失谐对量子干涉路径的调控作用，为相干布居的高效转移奠定了基础。

  2026年01期 v.52;No.297 42-47页 [查看摘要][在线阅读][下载 1328K]
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• 纳秒激光清洗技术在青铜器上的应用

  于燕;李晨毓;刘瀚文;张雪雁;段佩权;

  青铜器大多数曾经埋藏在地下，因而受到土壤或地下水中所含各类物质的侵蚀而在表面形成不同的腐蚀产物。表面的污染物或者腐蚀产物可能会对青铜器本体产生损害，因此这些有害物质的清洗显得尤为重要。激光清洗技术被广泛应用于工业领域，由于文物是不可再生、不可替代的中华优秀文明资源，激光清洗技术近20多年才被应用于文物保护领域。文章利用激光共聚焦显微拉曼光谱仪和X射线荧光光谱仪对两件青铜器表面的成分进行科学分析。拉曼的结果表明，铜镜表面的红色腐蚀产物为羟基氧化铁，淡蓝色腐蚀产物为非晶态二氧化锡；半圆形青铜器表面的蓝色腐蚀产物为靛蓝，绿色腐蚀产物可能为钴绿，红色腐蚀产物为羟基氧化铁。X射线荧光光谱仪的结果表明，铜镜表面除基体元素Cu、Sn、Pb，还有Fe、Ca、Al、Si、S、Zn等元素；半圆形青铜器除基体元素Cu、Sn、Pb，还有Fe、Zn、Ca、Si、S等元素。两个青铜器表面腐蚀产物的清洗分别尝试利用焦点处和非焦点处激光清洗。结果表明，离焦时激光能量密度为3.8J/cm~2，重复频率1Hz，脉冲数为5个，铜镜清洗效果较好。在焦点处，清洗半圆形青铜器时激光能量密度为89J/cm~2，重复频率为10Hz，清洗次数为1次，清洗效果较好；离焦时，激光能量密度为2.87J/cm~2，重复频率为1Hz，脉冲数为5个，半圆形青铜器会产生较好的清洗效果。实验结果探索出激光清洗技术在青铜器清洗的可能性和实用性。

  2026年01期 v.52;No.297 48-53页 [查看摘要][在线阅读][下载 1122K]
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• 纳秒双脉冲激光加工TC4的温场仿真

  姜永霞;李隆;程雨露;余天锡;张春玲;

  针对TC4钛合金双脉冲激光加工过程中热-力耦合机制复杂、工艺参数缺乏理论指导的问题，研究通过建立多物理场耦合有限元模型，揭示了不同脉冲延迟时间下温度场演化与烧蚀形貌的形成规律。基于热焓-孔隙法与水平集法构建的二维模型，模拟了纳秒双脉冲激光与TC4材料的相互作用过程。结果表明：二次脉冲的温升效率相较于首次脉冲提升1.62倍，表现出显著的热累积效应；在微秒级延迟（1～4μs）下，双脉冲加工的热影响区较单脉冲显著减小，且延迟时间越短，烧蚀温度越高；在纳秒级延迟范围内，存在最佳参数窗口（延迟时间100ns），此时烧蚀温度达到峰值904.52K；烧蚀直径的演化强烈依赖于延迟时间，微秒级延迟下呈非线性扩展，而纳秒级延迟下则呈现准线性增长模式。本研究为优化双脉冲激光加工工艺参数提供了理论依据。

  2026年01期 v.52;No.297 54-60页 [查看摘要][在线阅读][下载 1710K]
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光信息技术

• 基于残差注意力机制的离轴数字全息重建

  蒙明伟;蒋行国;

  离轴数字全息重建具有重要应用价值，但重建方法仍较为有限，面临零级衍射干扰，计算复杂度高以及重建精度受限等问题。针对这些问题，论文提出一种基于残差注意力机制的离轴数字全息重建方法。首先采用优化后的U-Net模型作为网络架构，并使用模拟生成的离轴菲涅尔全息图进行训练。然后，通过改进U-Net模型中的编码器和解码器结构，以提升网络特征提取能力，从而能够实现高质量的离轴数字全息图重建。最终，为进一步验证该模型的抗噪声性能，保持网络结构和参数不变，使用含噪声的数据集进行重建，并对重建结果进行质量评估。实验结果表明，相较于最优对比算法，改进后的网络在数据集上的平均SSIM和PSNR分别提高了2.97%和15.52%，而在加噪数据集上平均SSIM和PSNR则分别提高了6.48%和19.04%。显著提升了离轴数字全息重建的质量和抗噪性能，为复杂光学成像问题提供了有效的深度学习解决方案。

  2026年01期 v.52;No.297 61-67页 [查看摘要][在线阅读][下载 1302K]
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• 基于对偶学习的高效可见光通信非线性均衡器

  宋锐;邓春丽;李志良;刘宏立;

  针对室内可见光通信（VLC）中由LED动态非线性和信道衰落所引起的信号失真问题，提出一种基于对偶学习的非线性均衡方法。通过搭建PAM4调制VLC仿真系统，结合LED非线性模型与NLOS信道以模拟失真特性，设计了基于对偶神经网络结构的均衡器，利用正向均衡与反向映射网络实现双向约束，并借助对偶一致性损失提升在有限训练样本下的均衡性能。实验结果表明，方法显著降低了系统误码率，在相同训练符号数量下，误码率较传统均衡方法最多可降低2个数量级；与传统神经网络均衡器相比，达到FEC阈值所需训练序列长度最大可减少62.5%，能够在显著提升VLC系统传输可靠性的同时，大幅降低均衡器训练开销。

  2026年01期 v.52;No.297 68-74页 [查看摘要][在线阅读][下载 1551K]
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显示技术

• 基于蓝绿双波长EP-LED背光的智能LCD三百色域切换显示系统

  王楠;王波文;颜凯;赵振元;陈守年;张大宇;耿玉旭;孙昊;周军龙;闫春辉;

  针对现有业界高色域显示方案在显示性能、可靠性、实现复杂度和成本等无法兼容的局限，文章首次提出并验证了一种基于单晶片双波长LED芯片的创新解决方案。基于14.0WQ平台验证，单晶片双波长芯片设计、荧光粉和高色域彩色滤光匹配及电路驱动策略，可实现三百超高色域兼容覆盖率（Adobe 100%、DCI-P3 100%、sRGB 100%），同时具有色偏低、可靠性高、结构简化及成本低等优势。另外，搭配整机场景识别功能匹配最佳色域呈现能力，该显示模组支持消费者在不同的应用场景中智能切换匹配的色域。将每个色彩空间发挥到极致，真正呈现不同的图像原色，达到最佳的画面显示效果。

  2026年01期 v.52;No.297 75-79页 [查看摘要][在线阅读][下载 1254K]
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微纳光学

• 双频连续谱中束缚态的调控

  方云团;夏露;

  为解决连续体中的束缚态（BIC）在应用中模式单一且不能连续调制的问题，设计三层光栅与平面波导的复合结构。通过对结构能带的计算和模式的分析，发现该结构产生双频BIC和共振态。双频BIC和共振态的频率可以被两种结构参数调节。通过光栅间不同形式的平移错位，使双频BIC和共振态形成的法诺共振峰产生连续的变化。通过平移调控，BIC模式和共振态产生耦合并形成双重的法诺共振，形成一对完全透射和完全反射两个状态相反的准BIC法诺共振峰。特别地，平移调控还会产生独特的呈镜像对称的一对法诺共振峰；在特定的平移距离，出现光学类电磁诱导透明现象。

  2026年01期 v.52;No.297 80-85+100页 [查看摘要][在线阅读][下载 1524K]
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光学传感与测量

• 融合滑动窗口与改进SGBM的高分辨率目标检测与测距研究

  丁建军 ;汪刚林 ;陈正超 ;张超 ;夏礼恒 ;夏骏麒 ;孙超 ;

  随着成像技术的发展，高分辨率图像广泛应用于多个领域，但在复杂天气、多尺度变化和立体匹配复杂度高等条件下仍面临挑战。提出一种结合滑动窗口的目标检测与测距方法，在处理高分辨率图像时，采用滑动窗口法对图像进行分割并保留20%的重叠区域，随后将各子图输入至YOLOv8模型进行检测。为提升模型性能，在backbone中引入GCANet模块以增强雾霾环境下的图像质量，并加入HorBlock以提升多尺度特征表征能力。检测完成后，合并各子图结果，并采用引入了CIoU匹配机制的非极大值抑制算法（NMS）进行后处理，以缓解密集目标场景中的过抑制问题。最后，设计了基于检测框约束的局部匹配算法，结合加权最小二乘滤波（WLS）补全视差空洞。实验结果表明，在自制的雾天场景Fog-A数据集与公开的无人机视角VisDrone2019数据集上，方法相较于原始YOLOv8n模型，mAP分别提升9.8%和6.1%；匹配时间缩短至原SGBM的三分之一，精度提升0.7%。

  2026年01期 v.52;No.297 86-93页 [查看摘要][在线阅读][下载 1287K]
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• 基于飞秒激光的多功能材料表界面光谱探测技术

  王宁芳;徐金生;朱昊;李柏霖;盛志高;

  材料表界面分子结构与表界面诸多性能息息相关，因此开发超灵敏的多功能材料表界面探测技术具有重要意义。文章基于飞秒激光器，开发了一体化的多功能飞秒非线性光谱系统（和频振动光谱和二次谐波），各功能间可方便地切换，并将其应用于自组装十八烷基三氯硅烷单分子层、磷脂单层膜、高分子超薄膜和二维薄层材料的表界面结构与性能探测。结果表明该系统具有超高的单分子层灵敏性、相位敏感性和高时间分辨率，可探测表面分子结构、绝对取向、对称性以及超快动力学过程。该系统的一体化设计极大地提高了飞秒激光器的利用效率，为复杂材料表界面的多维度探测提供了强有力的手段。

  2026年01期 v.52;No.297 94-100页 [查看摘要][在线阅读][下载 1521K]
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• 基于近红外光谱辐照度和卷积神经网络的积冰分类方法

  吴军;李嘉昊;刘贵行;陈玖圣;郭润夏;

  飞机在运行过程中，特别是在寒冷的冬季和高湿度的环境条件下，在飞机起飞、降落等关键飞行阶段，飞机蒙皮表面积冰问题带来的危害尤为突出。提出了一种融合卷积神经网络（CNN）与近红外光谱分析的检测方法，用于实现对飞机蒙皮表面积冰类型的自动识别。构建了该方法的理论模型与实验方案，并提出了一种结合串联卷积模块与多尺度并联卷积路径的网络模型：IATNet模型。IATNet模型由1个一维卷积层（Conv0）、1个多尺度光谱特征编码模块（MSFE Module）、1个特征融合模块（FeatureFusion）、1个展平层（Flatten）和3个全连接层（D1、D2、D3）组成。经实验验证，IATNet模型在测试集上的识别准确率为98.15%，对比其他传统机器学习算法，识别准确率有显著提高。实验结果表明，检测方法可以精准识飞机蒙皮表面积冰类型，解决了传统飞机蒙皮积冰类型检测方案检测效率低、实时性差或易受环境干扰等问题。

  2026年01期 v.52;No.297 101-108页 [查看摘要][在线阅读][下载 1488K]
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• 环视BEV多层级语义车位自适应加权配准算法

  史兴领;朱添翼;黄刘生;檀杰;赵晓东;

  车载BEV空间配准技术作为智能驾驶车辆的重要手段，一直是自动驾驶领域研究的热点。在BEV空间，如何自适应的提高配准精度，成为自动驾驶BEV空间应用的难点。针对视觉数据深度估计误差会随距离累积、激光数据在低强度场景鲁棒性差和多源配准强依赖于时间同步精度，时序偏差易引发错位等问题，提出环视BEV多层级语义车位加权配准方法，即基于环视BEV拼接图后的语义识别结果，获取车位等语义特征信息，对车位进行多层级跟踪，确定配准初始位姿，基于车载传感器成像精度与距离相关原理，配准平差中引入基于欧式距离的自适应权重计算，从而提高配准精度和鲁棒性。该方法极大提高了配准精度，鲁棒性高，能够较好的基于配准结果进行建图与定位。地下车库环视数据集的建图与定位结果验证了利用本算法进行BEV空间配准的精度与效果。

  2026年01期 v.52;No.297 109-114页 [查看摘要][在线阅读][下载 1183K]
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• 基于多步匹配的超声多目标跟踪方法与系统构建

  朱星龙;艾丹妮;

  在肝脏肿瘤治疗中，采用超声引导放射治疗能够最大程度减少对病人正常组织的伤害。超声引导放射治疗通过超声探头实时获取病人的肿瘤位置信息，并控制放射源跟随肿瘤移动。超声引导放射治疗技术的难点在于如何通过超声图像预测目标位置，这个步骤也称为超声目标跟踪。文章研究了基于多步匹配的超声多目标跟踪方法，该方法能同时跟踪肝脏超声图像序列中的多个肝脏血管。首先检测-跟踪多任务网络根据序列当前帧初步预测目标位置的若干提案，同时卡尔曼滤波器会根据目标的历史位置信息预测目标的先验位置，然后多步匹配方法会对目标位置提案和先验位置进行匹配，最后利用轨迹活跃度对输出的目标进行筛选。文章构建了超声目标跟踪系统。该系统可以通过图形用户界面完成多目标跟踪演示、图像标注和评估功能。文章根据MOT竞赛的指标将提出的方法与其他方法进行了对比及消融实验，实验结果证明文章方法具有更高的精确度和鲁棒性。同时，通过功能测试和性能测试证明了超声目标跟踪系统能够稳定地在准实时条件下完成设计的各项功能。

  2026年01期 v.52;No.297 115-122页 [查看摘要][在线阅读][下载 1579K]
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电子光学

• 三电极静电透镜构型优化超快电子脉冲聚焦仿真

  李梦超;郭勇;丁宁;陈维;黄骏;倪维元;王兴权;

  采用有限元（PS）联合N-particle粒子仿真（GPT）对中国科学院物理研究所100 keV超快电子衍射装置进行三电极静电透镜（EL）聚焦仿真，通过研究不同构型静电透镜，提出三电极静电透镜设计建议。仿真显示，对于中间电极的中心孔，当初始脉冲半径0.1毫米时，缩小孔径可使电子脉冲聚焦至39微米及以下。厚度和孔径固定，孔其两侧边缘为椭圆倒角时，缩小平行轴B可使电子脉冲聚焦至49微米及以下；而圆形倒角缩小倒角半径可使电子脉冲聚焦至39微米。仿真发现，通常电极板厚度越薄，聚焦效果越好，然而孔边缘倒角半径1毫米时，存在最优厚度6毫米，此时电子脉冲可聚焦至38微米。电透镜的焦距与孔半径和孔深成正比，与椭圆倒角的平行轴B或圆形倒角的半径成正比。超快电子脉冲在电透镜下的聚焦行为与电子束流具有相似性。仿真结果对静电透镜在超快电子衍射（UED）中的应用具有促进作用，对超快电子脉冲光学、透射电子显微镜和扫描电子显微镜等领域也具有极强的实际应用价值。

  2026年01期 v.52;No.297 123-128页 [查看摘要][在线阅读][下载 1215K]
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