我国首台皮秒级X射线分幅相机试用成功

最近,在中科院上海光机所高功率激光物理联合实验室,对我国首台X射线皮秒分幅相机进行实用检验,初步完成一轮激光球靶内爆过程分幅照相的物理实验,取得满意结果。 X射线皮秒分幅相机由西安光机所研制。它利用了光学分幅/偏转快门的新原理。工作时,先由双针孔相机将拍摄物成像在变像管光阴极的两个部位,经分幅变像管的作用,在管子的荧光屏上输出四幅图像,相机的主要性能参数如下:     

杂光对三线阵相机光学系统成像的影响

针对高成像质量三线阵测绘相机杂光导致相机成像质量下降的问题,文章根据光学系统的设计结果,对相机的杂光系数进行分析与计算,提出合理的杂光抑制措施;利用ZEMAX软件和LightTools软件,分析了杂光对三线阵立体测绘相机成像的影响,通过模拟计算得到杂光系数小于5%的理论结果;实验检测了相机实际杂光系数,得到最大杂光系数小于6%的实测结果,模拟了杂光影响下的光学系统图像,证明了杂光抑制措施的有效性和杂光影响下成像分析的合理性。     

基于级联卷积神经网络的疲劳检测

为了诊断热核聚变等离子体状态,研制了用于热 斑区等离子体诊断用的新型X射线光谱仪,能够同 时探测X射线光谱与聚爆靶图像信息。光谱检测功能由4块椭圆晶体分析器实现,材料分别 为α-石英(1010)、 α-石英(2023)、α-石英(1011)和Si(111),几乎能够覆盖2~20 keV能带范围内的X射线特 征光谱。光谱检测 结构为光源位于椭圆的一个焦点,其辐射光谱经过椭圆反射聚焦于椭圆另一焦点,由X射线 成像板(IP)接收。图 像检测功能由分幅相机匹配小孔阵列成像完成,理想状态能够得到20 幅不同时间的聚爆靶图像。在谱仪与 聚爆靶之间的调整台上设置厚为60μm的Be膜,以保护针孔与晶体避 免聚爆溅射碎片破坏。在中物院“神光- Ⅱ”升级装置上进行了打靶实验,获取了X射线光谱与聚爆靶图像信号。分析了光谱及图像 信息,并针对光谱 仪漏光问题改进了光谱仪结构,最后在神光-Ⅲ原型装置上进行了验证实验并获得比较理想 的图像信号,信噪比(SNR)数据达到15dB。     

用于等离子体诊断的新型X射线谱仪

为了诊断热核聚变等离子体状态,研制了用于热 斑区等离子体诊断用的新型X射线谱仪,能够同 时探测X射线光谱与聚爆靶图像信息。光谱检测功能由4块椭圆晶体分析器实现,分别覆盖2~20keV能带范围不同能带的X射;图像检测功能由分幅相机匹配小孔 阵列成像完成,理想状态能够得到20幅不同时间的聚爆靶图像。在中 物院“神光- Ⅱ”升级装置上进行了打靶实验,获取了X射线光谱与聚爆靶图像信号。分析了光谱及图像 信息,并针对光谱 仪漏光问题改进了谱仪结构。在神光-Ⅲ原型装置上进行了验证实验,获得比较理想的 图像信号,信噪比(SNR)数据达到30。     

基于机器视觉的微细孔壁缺陷检测

为满足微细孔壁缺陷工业在线检测的快速性和准确性的要求,采用一种特殊的锥面镜成像部件获取孔壁图像,实现对微细孔壁缺陷的机器视觉检测。锥面镜成像过程将照明光路和成像光路合二为一,根据所获图像的特点设计出环形图像展开算法,转换为矩形图像后拼接出完整的孔壁图像。利用电控平移台和相机之间的触发配合,保证了图像采集的实时性和准确性。构建实验平台并对相关参数予以分析,实现了对直径为8mm、深为100mm微小孔壁缺陷的自动化检测,可以检测出直径0.3mm的缺陷,测量标准差为0.021,验证了后续工业化应用的可行性。     

X射线背光成像诊断的球面晶体分析器研究

在激光约束聚变和箍缩聚爆实验中,为了分析内爆 靶丸推进层的运动过程和评估激光辐射驱动的对称性和均匀性, 需要得到靶丸内爆单色X射线二维空间分辨信息。为了诊断内爆高温等离子体X射线二维空间 信息,利用晶体布喇格衍射 原理研制了新型的成像系统。系统的核心元件为球面晶体分析器,球面晶体为云母球面晶体 ,弯曲半径为143.3mm。在中 国工程物理研究院进行了单色X射线背光成像实验,磷屏成像板获得了清晰的Cr靶单色X射线 二维网格图像。通过对实验 所得背光图像分析,云母球面晶体成像系统得到的空间分辨率为86 μm。实验结果表明,云母球面晶体可以应用于等离子体X射线的背光成像诊断研究。     

基于LUPA4000图像传感器扩展动态范围方法研究

基于CMOS图像传感器LUPA4000,对双斜率光积分进行研究。选用Altera公司的EP3C25Q240C8N作为硬件设计载体,使用VHDL语言对LUPA4000像素内部驱动信号进行描述,并采用QutartusⅡ软件对所做的设计进行功能仿真,最后采用基于LUPA4000的相机系统,实现了同步快门模式下的双斜率光积分操作。实验结果表明,双斜率光积分有效扩展了普通线性转移成像器的光学动态范围,提升了成像质量。     

基于高重复频率脉冲激光的水下全选通成像雷达

在水下高重复频率距离选通成像系统的基础上,设计了一种全选通成像系统。在空间域中,可将整个探测区域划分为多个相互叠加的改进选通切片,一帧图像积分时间内的激光脉冲按照一定规律分布到各个改进选通切片中;在时间域中,在一帧图像积分时间内按照一定规律实现宽选通门对不同激光脉冲回波的等时差移动,使得一帧图像中包含所有距离的目标信息,实现了全选通实时成像。实验对比了连续光成像系统、传统距离选通成像系统和全选通成像系统的成像质量。实验结果表明,全选通成像系统同时具有连续光成像系统探测范围广和距离选通成像系统探测距离远的优点,探测距离大于4.5 H(H为衰减长度),输出视频的帧率为20Hz。     

基于噪声分析和稀疏正则化的图像盲复原方法

在海事搜救过程中,机载红外相机拍摄的红外图像由于直升机振动、气流扰动、高速飞行以及红外相机摆扫等因素,严重影响图像质量.根据直升机载红外相机成像特点,提出了一种基于噪声分析和稀疏正则化的图像盲复原方法.该方法首先分析了成像过程中的噪声分布,并对噪声进行预处理,再根据稀疏表达理论,用图像边缘的稀疏先验信息指导点扩散函数复原,接着通过非盲复原方法得到目标图像,将目标图像作为下一次迭代的输入图像,如此循环迭代得到清晰图像.最后,对仿真模糊图像和实拍模糊图像进行了复原实验.实验结果表明这种方法能有效改善图像质量,并且在处理实拍运动模糊图像时,相比其他复原方法效果更好.     

遥感图像星上背景扣除和灰度拉伸方案与实验

在遥感相机的实际应用中,卫星下传的图像灰度分布往往不佳,针对该问题展开了相关研究。分析了影响卫星下传图像灰度分布的因素,并以遥感相机成像电子学系统的系统参数为基础,给出了3种可行的星上图像背景扣除和灰度拉伸方案;推导了3种方案下获取图像的灰阶丰富程度公式,并确定了最优方案,即采用模拟和数字混合拉伸的办法,对初始量化位数的图像数据进行处理,然后舍掉后若干位,以数传规定位数下传。在实验室条件下,以实际的遥感相机成像系统为依托进行了实验。实验结果表明:文中提出的3种方案均能够实现遥感相机图像的星上背景扣除和灰度拉伸功能;但方案(三)得到的灰阶数量最多,成像效果最好,适合且能够应用于航天遥感相机当中。     

定向棱镜激光腔模式模拟研究

为了探究定向棱镜谐振腔激光模式分布情况,通过连续利用反射系统的光线矢量的反射定律,推导出具有二面角误差的角锥棱镜相位模型,首次创新性地建立了定向棱镜腔的光场数学模型,并运用FOX-LI的理论。研制了一套求解各种腔形的稳态模的场分布软件。用这套软件模拟出了定向棱镜谐振腔自再现模的分布。同时,针对免调试固体激光器（定向棱镜腔）进行实验,将模拟所得结果与实际激光器的输出近场、远场光斑,以及与光束质量分析仪检测分析结果进行了对比,取得了较好的效果。     

低空高分辨率激光雷达光学系统设计

针对“低慢小”目标光学成像识别能力差、复杂背景下信噪比低等问题，设计了一款低空高空间分辨率激光雷达光学系统。发射光学系统扫描器件采用MEMS反射镜，设计了专用扩束光学系统保证不同扫描角度发射激光的光束质量；接收光学系统采用物镜、数字微反射镜器件结合偏振器件，可同时实现激光回波接收与可见光成像，相较于采用单点探测器接收的激光接收系统，具有背景噪声低的优势。给出了光学系统的性能参数，利用光学设计软件设计了光学系统，该系统空间分辨率为0.5 mrad/pixel，扫描点阵列规模为200×200。模拟结果表明设计方法可行，计算其在大气中的探测距离可达到1000 m，背景噪声相较于单点探测器接收系统可降低约22162倍。     

非链式DF激光器非稳腔数值仿真与实验

基于描述光束传播的菲涅耳-基尔霍夫衍射积分理论,运用快速傅里叶变换算法仿真了非稳腔DF激光的三维近场、远场光强分布。仿真结果显示:非稳腔的近场输出光斑形状为中心对称的空心圆环,远场输出光斑为具有中心亮斑的多级衍射环;大M数将导致近场光斑能量集中,大的Neq值将引起远场发散角变大。运用该算法研究了腔镜倾斜对近场光强分布的影响:腔镜倾斜使光束近场分布变差,倾斜角越大,光强的非对称分布越明显。开展了非链式DF激光器非稳腔实验研究,实验得到的近场、远场光强分布及腔镜失调下的近场光斑变化情况与数值模拟结果一致,实验测量的远场发散角为1.2 mrad。文中的仿真结果可为DF激光器腔镜失调诊断及调节提供依据。     

基于可变孔径针孔阵列的集成成像3D显示

为了解决观看视角与光学效率的相互制约关系,设计了一种基于可变孔径针孔阵列的集成成像3D显示器,建立了3D成像模型,通过几何光学推导观看视角以及光学效率的计算公式;详细阐述了如何通过改变透光孔的孔径宽度来调节观看视角以及光学效率;研制了基于可变孔径针孔阵列的集成成像3D显示样机,通过液晶显示屏实现电控可变孔径针孔阵列,通过实验验证了可以通过增大或者减小透光孔的孔径宽度来增大3D图像的亮度或者观看视角。     

基于等离子体镜的太赫兹单脉冲选择方法

研究了一种用于中国工程物理研究院太赫兹自由电子激光装置(CTFEL)输出的太赫兹的单脉冲选择方法,以满足一些对太赫兹脉冲的时间分辨率和峰值强度提出较高要求同时要保证较低平均功率的实验的需要。利用自诱导等离子体开关技术,太赫兹能够被短脉冲激光打靶产生的等离子体镜反射,从而使等离子体镜可以作为门控开关,选出单个太赫兹微脉冲。通过理论分析计算出等离子体临界密度和激光功率密度阈值,采用辐射流体模拟软件对激光打靶过程进行数值模拟。模拟结果表明,激光激发出的等离子体密度远大于临界密度。由此证明了实验的可行性,进而给出实验所需装置的参数指标以及实验光路设计。     

基于光束跟踪的热源模型在激光焊接中的应用

为了研究激光深溶焊接过程中匙孔内自由壁面的变化及相应的温度分布,采用光束跟踪法,推导出了符合激光深熔焊接物理过程的热源模型。在建立的气、液、固3相统一的控制方程中使用该热源模型,通过流体容积法追踪匙孔自由液面,得出了匙孔的动态变化过程及相应的温度分布。结果表明,采用光束跟踪法热源模型计算出的熔池轮廓与激光熔焊接实验相符合。     

LD泵浦和频593 nm黄光激光器

报道了一种单LD泵浦Nd:YVO4双晶体腔内和频实现黄光激光的有效方法,并对其进行了理论分析、实验装置的设计和实验验证。该装置由半导体激光器、光学耦合系统(CO)、Nd:YVO4镀膜晶体、镀高反膜的平凹镜、镀增透膜的LBO、镀高透膜的全反镜组成。实验采用V型谐振腔,在中心波长为808.7 nm、5 W抽运功率下,利用Ⅰ类临界相位匹配LBO作为和频晶体,获得了244 mW、593 nm的黄光输出,光-光转换率为4.9%,激光不稳定度为5%。实验结果表明:采用V型谐振腔进行腔内和频,可以获得593 nm的黄光激光,并且结构紧凑、转换效率高,可以应用到很多种和频激光器中。     

Design and evaluation of an integrated scanning laser triangulation sensor

This work presents the design, simulation, control and experimental result of an optical scanning laser sensor for 3D imaging. The system design satisfies the Scheimpflug condition even though only the illumination path is scanned by a compact fast steering mirror (FSM). To reconstruct the surface profile from measured quantities and model parameters, geometrical relations are used. The influence of a misalignment on the achievable resolution is determined, using ray-tracing simulations. To scan the area of interest an adapted scan trajectory is employed, such that a uniform spatial resolution is generated. The system captures the sample with 100 x 100 pixels and achieves a frametime of 10 s. The lateral scan area of 15 x 23 mm is obtained with a maximum lateral resolution of 60 µm. Through the optical scan the measurement time can be reduced by a factor of 400 compared to a mechanical scanning triangulation sensor system.     

D形内包层掺Yb3+光纤激光器动态特性的研究

对LD抽运的D形内包层掺Yb3 + 光纤激光器的动态特性进行了实验研究。在单镜和双镜两种腔结构中 ,研究了激光器的动态特性。在单镜腔结构中 ,激光器表现出很强的自脉动行为 ,脉冲宽度为微秒量级。随着抽运功率的增强 ,开始出现更精细的结构 ,周期不规则 ,脉宽几十纳秒 ;在双镜腔结构中 ,自脉冲被有效地抑制 ,在抽运功率较大时 ,在直流强度上叠加了周期为 2 0 0ns ,脉宽约 10ns稳定的脉冲序列。双镜腔的激光稳定性较单镜腔有所改善 ,激光阈值功率明显下降。     

一种新型非线性反射镜设计的理论分析

该文对一种新型非线性反射镜的设计进行了理论研究,结果表明把该非线性反射镜置于激光腔内便能起到被动锁模作用,文中也给出了它的最佳设计的参数选择。