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      2021 年 第 6 期

        液晶空间光调制器及其应用

      • 刘澍鑫,庄仲森,李燕,阎泽昆,苏翼凯
        2021, 36(6): 761-771. DOI: 10.37188/CJLCD.2021-0032
        摘要：本文提出了一种基于空间光调制器的可实现任意图案设计的单步曝光光配向方法。通过像素级精确控制输出光的偏振方向，可完成对局部区域液晶指向矢的自由取向，从而实现具有任意图案设计的Pancharatnam-Berry(PB)相液晶器件的制作。这种非干涉曝光投影光配向法不仅简单、高效，并且能大幅降低环境扰动的影响。基于该方法，采用两种光取向材料制备了多种PB相液晶器件：光栅、透镜、全息图和q-plate等。实验表明，本文制作的PB相液晶器件可实现连续的相位分布和较高的衍射效率。基于这些PB相器件，本文进一步提出了应用于增强现实显示领域的抬头显示和头戴式显示系统。  
        关键词：液晶器件;光配向;空间光调制器;几何相位;PB相   
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        发布时间：2021-05-28
      • 杨海宁,李昆,初大平
        2021, 36(6): 772-788. DOI: 10.37188/CJLCD.2021-0014
        摘要：现代光纤通信网络使用波分复用技术极大地提升了网络传输容量。基于硅基液晶技术的波长选择开关使光纤网络运营商在网络节点处可以灵活地调度各个波长信道，让光纤通信网络在波长级具有可重构性，大幅降低了网络的传输和运营成本。因此，波长选择开关已经成为现代光纤通信网络的核心组件。本文回顾了波长选择开关的发展历程，重点介绍了其在光纤通信网络中扮演的角色，阐述了硅基液晶器件各项特性对波长选择开关关键技术指标的影响和改进方法。本文从器件、系统和网络等方面对硅基液晶技术在通信系统中的应用进行了系统的综述，旨在让广大读者对硅基液晶器件和可重构光纤通信网络有比较全面的了解，并从一定程度上对该领域的研究发展有所促进。  
        关键词：硅基液晶;波长选择开关;全光通信;可重构全光分插复用器   
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        发布时间：2021-05-28
      • 郑义微,王迪,李移隆,储繁,王琼华
        2021, 36(6): 789-796. DOI: 10.37188/CJLCD.2021-0028
        摘要：全息显示技术可以完整记录和再现物体的波前信息，被认为是3D显示的终极目标。其中大视角全息再现是全息显示的关键技术之一。本文从基于液晶空间光调制器的全息显示原理出发，介绍了近年来所出现的多种大视角全息显示方法，并对其实现技术做了探究分析，论证了现有大视角全息显示技术的实现原理及优劣。随着液晶空间光调制器像素间隔的减小、刷新率的提升以及新器件新材料的结合，大视角全息显示必将迎来新的发展。  
        关键词：全息显示;3D显示;空间光调制器   
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        发布时间：2021-05-28
      • 隋晓萌,何泽浩,曹良才,金国藩
        2021, 36(6): 797-809. DOI: 10.37188/CJLCD.2021-0049
        摘要：计算全息能够在计算机中实现光学全息的波前衍射计算与波前数字编码，并通过相干光照射全息图重建物光波前。但其空间带宽积受现有数字调制器件限制，光学重建受振幅编码或相位编码引入的噪声影响。复振幅全息利用现有的光电调控器件实现全息图复振幅波前编码，避免振幅项或相位项的损失，兼有高运算效率、高空间带宽积和高重建精度等优势。基于双相位的复振幅光场调控方法因其理论完备性高、光学系统方案成熟，在复振幅计算全息领域具有广阔的应用前景，是全息三维显示重要的发展方向。本文综述了复振幅计算全息的原理与研究进展，分析已报道的复振幅全息方案，重点介绍复振幅的双相位调制原理与基于双相位原理的液晶空间光调制器复振幅全息显示系统。  
        关键词：复振幅调控;计算全息;液晶空间光调制器   
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        发布时间：2021-05-28
      • 卜浩祯,焦述铭
        2021, 36(6): 810-826. DOI: 10.37188/CJLCD.2021-0035
        摘要：近年来得益于光学、电子和计算机等各项技术的进步以及新算法的不断提出，计算全息技术飞速发展。由于现有液晶空间光调制器对于纯相位全息图具有更高的调制能力与衍射效率，纯相位全息图优化算法一直以来是一个研究热点。本文回顾了计算机生成全息图的发展历程，并按照迭代方法、非迭代方法以及其他方法为分类标准，对纯相位全息图生成与优化算法进行了总结。各种传统方法可以满足不同的计算耗时与重建质量要求，深度学习、维尔丁格流等方法为纯相位全息图优化带来了新的思路，这些工作都有利于实时、广视场、高质量全息三维显示的早日实现。在未来，由三维物体图像生成曲面纯相位全息图（如柱面全息图和球面全息图）的优化算法值得进一步研究。  
        关键词：计算机生成全息图;纯相位全息图;迭代算法;非迭代算法   
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        发布时间：2021-05-28
      • 樊华,曹小文,李臻赜,王熠,王磊,徐颖
        2021, 36(6): 827-840. DOI: 10.37188/CJLCD.2020-0334
        摘要：作为最基本的微光学元件，微透镜在多个领域都有非常广泛的潜在应用，然而常见的面向透明硬脆材料微透镜的制备方法效率低下，且对作业环境的要求较高，极大地限制了透明硬脆材料微透镜阵列的大面积制备。空间光调制器作为一种对光场进行调制的设备，可以方便地实现多焦点或者结构化的光场，在光通讯、激光加工等领域具有重要的应用潜力。本文介绍了利用飞秒激光烧蚀结合湿法刻蚀制备硬脆材料微透镜阵列的基本方法，并系统地分析了影响所制备微透镜形貌的关键因素。通过在加工过程中对聚焦光斑的数量和位置进行精细调控，极大地提高了透明硬脆材料微透镜阵列的加工效率，且可以在加工过程中动态地调整飞秒激光烧蚀改性的形貌，从而实现不同尺寸微透镜阵列的高速制备，展现了空间光场调制技术在微光子集成芯片加工领域的应用前景。  
        关键词：飞秒激光;湿法刻蚀;空间光场调制;微透镜阵列   
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        发布时间：2021-05-28
      • 赵明雪,朱刘昊,邵彤彤,魏文军,林奕扬,汪奥星,卢文栓,李诗雨,李新忠
        2021, 36(6): 841-847. DOI: 10.37188/CJLCD.2021-0023
        摘要：提出一种基于非对称涡旋光束的动态光镊，实验中基于计算全息技术，通过对涡旋光束的动态调控，实现了酵母菌细胞的分离与聚合，探究了非对称动态涡旋光束对酵母菌细胞的操纵特性。计算了用此光镊系统操纵酵母菌细胞时的光阱刚度，在激光器出射功率为230 mW时，光阱刚度统计均值为0.098 5 pN/μm。  
        关键词：光镊;非对称涡旋光束;计算全息;空间光调制;光阱刚度   
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      • 王健,郭宗林
        2021, 36(6): 848-853. DOI: 10.37188/CJLCD.2021-0030
        摘要：艾里光束具有无衍射、自修复和自加速的传播特性，在光操控、非线性光学、光学成像等领域受到关注。本文介绍利用空间光调制器所构建的4f系统产生和调控艾里光束的方法。通过调控艾里光束的自弯曲传播点扩散函数，设计并实现了艾里光束三维重建显微镜，研究了该显微镜的成像性能，在40×/0.75 NA物镜下实现了横向分辨率约为0.5 μm，轴向分辨率约为1.5 μm，并实现了小鼠肾细胞中肾小管10 μm深度的三维无扫描双色成像。  
        关键词：艾里光束;三维成像;光学显微成像技术   
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      • 李儒佳,高云晖,曹良才
        2021, 36(6): 854-860. DOI: 10.37188/CJLCD.2021-0046
        摘要：相位型空间光调制器（SLM）是一种对光的相位信息进行定量调控的器件。由于制造和使用过程中的一些不确定因素，需要标定SLM的相位调制，即输入灰度和输出相位的响应（LUT）。本文介绍了基于自参考光路的SLM相位调制标定方法。通过在SLM上产生光栅相位，光栅的衍射级次作为参考光，与标定区域的光干涉、形成干涉图。利用傅立叶频谱分析技术和数字全息技术分析干涉图，可分别对SLM的全局LUT和局部LUT进行测量标定。自参考标定方法仅需一个分束器和CMOS即可标定SLM，同时可实现原位标定，是一种简便高效的标定方法。  
        关键词：液晶空间光调制器;相位调制;相位标定;自参考;干涉法   
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        发布时间：2021-05-28

        图像处理

      • 高文,肖海峰
        2021, 36(6): 861-868. DOI: 10.37188/CJLCD.2020-0283
        摘要：针对非均匀低照度图像增强问题，提出了一种动态双稳随机共振算法。该算法基于双稳态随机共振模型，将图像中的噪声能量转移到低照度区域，能有效对低照度图像进行亮度增强。在研究过程中设定了低照度像素的迭代阈值，避免了高亮度区域的过度增强，可保证图像具有较好的视觉感受。研究采用感知质量评估（PQA）和亮度阶误差（LOE）作为图像质量的评价指标，通过对比实验发现，所设计算法的PQA值最接近10，增强图像的质量最好，同时LOE值在67~204之间，图像自然性保存最优。  
        关键词：随机共振;图像增强;低照度图像   
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        发布时间：2021-05-28
      • 季渊,宋远胜,陈远生,陈文栋,穆廷洲
        2021, 36(6): 869-875. DOI: 10.37188/CJLCD.2020-0236
        摘要：为提升用户体验，近眼显示设备应轻量化且具备高分辨率和高刷新率，传统视频压缩方案难以满足需求。针对这一问题，本文将运动估计应用于位平面压缩，将恰可察失真映射至位平面以指导运动估计的匹配准则。同时，从虚拟现实领域中数字驱动微显示器的应用场景出发，使运动估计的搜索范围根据刷新率自适应。最后，结合人眼临界频率与位平面的关系，设定匹配阈值进一步消除冗余。本文提出了一种基于位平面运动估计的视频压缩方案，以此设计数字驱动微显示器控制器并搭建系统验证设计。实验结果表明，该方案平均压缩比为9.328 8，压缩效率较高。解码后的图片平均峰值信噪比为22.810 3 dB，结构相似度为0.946 6，恰可察失真到位平面的映射有效，图片质量和渲染效果良好，符合人眼的直观感受。  
        关键词：近眼显示;微显示器;运动估计;恰可察失真   
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        发布时间：2021-05-28
      • 刘鹏飞,张微风,吴晨旭,孙晓明
        2021, 36(6): 876-885. DOI: 10.37188/CJLCD.2020-0281
        摘要：为了使人们享受更加放松、安全、简易、实用的家居生活环境，本文建立了集人脸识别自动开门、室内CO浓度检测与处理、室内光照度检测与控制照明、室内温度检测显示、室内离人安防检测报警等功能于一体化的智能家居系统。通过建立TCP客户端与服务器进行相互通信，实现手机一键轻松出门、自动关门。采用基于STM32F765VI芯片的OpenMV摄像头，利用线性反投影算法计算采集到的人脸数据与人脸数据库进行对比，实现人脸识别自动开门。在系统不断运行时通过CO气体传感器、温度传感器、光照传感器、红外传感器、光电传感器等外部设备采集回的各种指标数据传输到MCU之中并利用编译好的程序进行相应处理，用以完成对应的检测与处理功能。最后通过搭载硬件模型对整个系统进行功能查验，实验结果表明基于STM32的智慧家庭系统能够准确地实现各项功能指标的监测。  
        关键词：物联网;智慧家庭;人脸识别;传感器   
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        发布时间：2021-05-28
      • 钟海林,杨粤涛,王鑫,曹峰,王涛,李桃
        2021, 36(6): 886-895. DOI: 10.37188/CJLCD.2020-0211
        摘要：为了满足边海防监控领域对高分辨率非制冷红外热成像技术的需求，本文提出了一种基于GST817VM1E国产非制冷红外探测器的成像与增强显示技术方案。该方案以SOPC为核心搭建硬件平台，采用DDR3 SDRAM作为红外图像缓存器，使用SOPC内部集成NiosⅡ软核作为系统控制器，配合SOPC可编程单元实现探测器焦平面非均匀校准、两点校正、盲元补偿、减本底、自动聚焦和自适应图像增强等处理，支持输出PAL、DVI、Cameralink等接口红外视频图像。实验结果表明，本方案可输出14位灰度级800×600分辨率红外图像，帧率可达到60 frane/s，支持连续变焦和自动调焦控制，具有大面阵、高分辨率、高帧频等优点，能够满足边海防监控等领域应用需求。  
        关键词：红外热成像;边海防监控;SOPC;Cameralink   
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        发布时间：2021-05-28
      • 陈苑锋
        2021, 36(6): 896-911. DOI: 10.37188/CJLCD.2020-0047
        摘要：即时定位导航（SLAM）是无人驾驶和机器人实现自主移动的关键技术。目前广泛应用于SLAM技术中的激光雷达传感器存在成本高昂、激光点云空间分辨率低及难以获得精确的语义信息等一系列问题。视觉传感器可以有效避免上述问题，但是在深度预测和建图等方面需要更复杂的算法。近年来，随着处理器算力的提升、数据集的丰富和新机器视觉算法的出现，视觉深度预测和建图算法的精度和效率都有了明显提升。本文对现有视觉深度预测与视觉建图方法进行了总结，从视觉数据的采集和算法设计等方面进行分类阐述，最后针对应用场景和未来发展方向进行了分析。  
        关键词：单目深度;双目深度;深度学习;点云建图   
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