光电子学与激光技术

应用激光诱导击穿光谱测量水体中痕量重金属锌

石焕，赵南京，王春龙

摘要：目的：激光诱导击穿光谱（LIBS）已广泛用于痕量分析和物质成分检测等方面，针对目前激光直接作用于水面所产生的水滴溅射问题，并考虑提高被分析元素的检测灵敏度，本文以固体石墨为样品基体，通过物理富集方式研究锌元素的 LIBS发射特性，寻找水体痕量重金属激光诱导击穿光谱检测的新方法。以锌元素为样本检测锌元素在实验条件下的检测限。方法：采用纯度为99.99%的石墨作为基体，含有Ca，Mn，V等微量杂质，对其表面进行加工形成直径为5 mm、深度为4 mm的凹坑，以滴定固定液量的实验标准样品实现被分析元素的富集。利用化学计量法分析指定质量分数为 50×10-6、25×10-6、12.5×10-6、10×10-6、6.25×10-6、3.125×10-6、2.5×10-6、1.25×10-6、0.625×10-6、0.3125×10-6、0.015625×10-6，取一定量溶液（1.5 mL）滴定到石墨基体，然后进行物理烘干，制得不同浓度的氯化锌待测样品。采用1064 nm波长的Nd∶YAG脉冲激光作为激发光源，单脉冲能量为165 mJ，脉冲宽度10 ns，脉冲重复频率1 Hz，激光束经焦距为100 mm的透镜聚焦后作用在样品表面，产生的激光等离子体光谱信号经过焦距为50 mm的石英透镜耦合至光纤，并传输至光谱仪完成光谱的分光与探测。其中光谱仪测量波长范围为200～975 nm，分辨率为0.1 nm；探测器为增强型电荷耦合器件。样品置于转速为5 r/min的工作台上，以保证样品测量的均匀性。为了消除测量过程中激光诱导等离子体光谱的不稳定性对分析精度的影响，实验测量中通过累积20个激光脉冲作用结果，并进行10次测量平均得到样品的测量光谱。结果：（1）采用纯度为 99.99%的石墨作为基体，利用物理烘干方式将待测溶液富集于石墨表面，激光直接作用于其表面，有效避免产生水体溅射问题。（2）锌的谱线较为简单，最大谱线为481.1 nm，在等离子体形成初期有很强的连续本底光，原子的特征光谱辐射容易淹没在其中；随着时间推移，本底光强度迅速衰减，原子的特征光谱辐射强度衰减较慢，信号与本底之比逐渐提高。（3）综合考虑信背比及谱线强度使得信号与本底之比达到最大，此时Zn元素的最佳延迟时间为1.1 μs，最佳门宽为1 μs。（4）在低浓度时Zn元素的激光等离子体光谱发射强度随着样品浓度的增加近似呈线性增长，在较高浓度下由于自吸收出现了发射强度饱和现象。结论：采用将溶液物理富集至纯石墨表面的方法对水体重金属进行LIBS检测，可有效的避免水体溅射问题，且可以提高重金属元素的检测限。以锌元素为样品开展实验得出以下结论：（1）锌特征谱线481.1 nm为锌谱线中强度最强，且是最后消失的谱线，视为最佳分析线，该谱线随延迟时间增加呈现先增加后减小的趋势；（2）在同种实验条件下，锌谱线强度与锌元素的含量在低浓度时基本呈线性关系，线性相关系数达0.99085；（3）对锌元素进行定量分析，得出此实验条件下锌元素检测限为4.108 mg/L。

来源出版物：激光与光电子学进展, 2012, 49(1): 013003

入选年份：2017

用于LED光源准直的紧凑型光学系统设计

苏宙平，阙立志，朱焯炜

摘要：LED光源的发散角比较大（通常约±70°），在远距离照明的时候，能量比较分散，使目标面上的照度比较低，因此在应用于手电筒，港口或码头用的信号投射灯，需要对LED输出光进行准直。采用了TIR透镜结构模式，透射部分用于针对LED小角度发光区域进行准直，反射部分用于LED大角度发光区域进行准直。透射部分采取了双自由曲面，光线经过每个自由曲面发散角都会有一定程度的减少，经过每个自由曲面发散角减小的程度取决于分角比例因子。LED出射光束角（第 i条采样光线）经过第一个自由曲面后的出射角由减小到，经过第二个自由曲面后的出射角由减小到，其中，为定义为分角比例因子。大角度的光线在反射面上发生了全反射，以小角度出射。透射部分自由曲面内表面设计过程如下，首先在LED光源发出的光线选取采样光线，根据入射光线方向和出射光线的方向，利用折射定律的矢量形式，可以计算自由曲面上各处的法向矢量，进而确定每处的斜率。如果已知某一点的坐标，过该点的切线与相邻点的光线相交可以计算相邻点的坐标，这样就建立相邻采样点之坐标间的迭代关系。当边界点确定以后，根据这一关系可以计算整个自由曲面上的采样点。使用类似的方法也可以计算反射自由曲面上的所有采样点的坐标。通过研究在不同的分界角下，光效率，透镜尺寸以及出射光束的发散角，寻找了最佳的分界角将设计的透镜在光学仿真软件中进行建模，并进行了光线追迹，结果表明LED发散角从70o减小到了3.8°。计算了折、反射分界角为 30°，45°，60° 3种情况下系统的效率，尺寸以及出射光束的发散角。当分界角小于45°的时候，随着分界角增加，系统尺寸的变化不大；分界角大于 45°的以后，随着分界角增加，光学透镜尺寸的变化比较大。在分界角 45°的时候系统的光学效率比较高。分角比例因子在0.3～0.6之间时，光效率都在85%以上，特别是为0.5时，光效率为87%；在0.4～0.6之间时，发散角（半角）小于4°。随着分角比例因子的增加系统尺寸也在增加。综合考虑，选择ξ在0.4～0.5之间是比较合适的。本文提出了用于LED准直的TIR透镜设计的算法，研究了影响系统效率，尺寸，以及输出光束发散角的2个关键参数：分界角和分角比例因子。在光学仿真软件建模 TIR透镜并进行光线追迹。结果表明LED光源的发散角从70°减少到了4°左右，光效率在85%左右。分析表明折射和反射的最佳临界角区域是41～45°，而最佳分角比例因子为0.4～0.5之间。

来源出版物：激光与光电子学进展, 2012, 49(2): 022203

入选年份：2017

基于计算全息的双随机相位图像加密技术

席思星，孙欣，刘兵

摘要：目的：随着信息技术的快速发展，信息安全问题变得越来越重要，光学密钥技术随着相关技术手段的不断成熟倍受关注。将计算全息与传统光学图像加密技术相结合，以二元实值计算全息图记录加密结果，可克服其他加密复振幅结果记录方法在加密解密过程中对实验设备的依赖，可省略制作随机相位板共轭的过程，使得加密解密可以实现实时化，提高图像加密的安全性和抗噪性。方法：基于传统4f系统双随机相位图像加密方法，结合计算全息技术，设计基于计算全息的双随机相位图像加密系统。在该系统中，图像经过两次傅立叶变换及两个随机相位的调制，用罗曼型迂回相位编码的计算全息图记录加密图像。解密时首先分析计算全息加密图像相对于原加密图像在信息隐藏方面的表现，然后研究二元计算全息加密图的抗噪性能及其扩频特性，分析计算全息加密图的频谱特点，利用其单个频谱单元或多个频谱单元的组合，需要原相位板或共轭相位板以及两者的有序组合作为解密密钥，获得具有不同比例的解密图像，最后分析该技术相对于传统随机相位图像加密技术的安全性表现。结果：通过对新图像加密技术进行数值计算和计算机模拟，得到以下结果：（1）计算全息加密图是一幅隐藏了原图像尺度大小信息的二值图像。（2）在解密的频谱面上，得到一个与编码参数有关的频谱单元的组合，每个频谱单元相当于一个加密图像频谱，且每一个频谱单元包含有原加密图像的完整频谱信息，但是边缘的频谱单元噪声相对较大。其中正级次的频谱单元是原加密图像的频谱共轭，负级次频谱单元是原加密图像的频谱，0级频谱单元是两者的叠加。（3）单独用解密频谱面的+1级单元进行解密，解密密钥为加密随机相位的共轭时，可解密获得原始图像的共轭图像；单独用解密频谱面的-1级单元进行解密，解密密钥为加密随机相位时，可解密获得原始图像；单独用解密频谱面的0级单元进行解密，解密密钥为加密随机相位及其共轭时，可解密获得原始图像及其共轭图像，但是带有较大的噪声。（4）用解密频谱面的多个单元组合进行解密，正确设计各个单元对应的解密密钥时，可解密获得对应尺寸的原始图像。（5）用单个频谱单元进行解密时，计算全息加密方法与传统加密方法的解密平均方差随噪声标准偏差变化的趋势相同，且计算全息加密方法的抗噪性能稍优于传统双随机相位加密方法。结论：基于计算全息的双随机相位图像加密方法可实现图像信息的快速加密、解密。以二元实值计算全息图记录加密复振幅结果，对于提高图像加密技术的抗噪性能有所帮助，其扩频特性使得解密需要设计相应的解密密钥，使得图像加密技术的安全性能有所提高。可将计算全息与其它光学图像加密系统结合，继续开展基于计算全息的光学密钥技术研究。

来源出版物：激光与光电子学进展, 2012, 49(4): 040902

入选年份：2017

计算全息三维实时显示的研究进展

贾甲，王涌天，刘娟

摘要：目的：计算全息三维投影显示能够完整记录和重建三维物体的波前，提供人眼视觉系统所需全部深度信息，因而是国际上裸眼真三维显示技术的研究热点。近年来，关于计算全息三维显示的研究文章数量庞大，种类繁杂，给研究者，尤其是初学者准确把握研究动态带来了困难。本文通过大量文献阅读和前期研究积累，对近年来的研究成果进行了分类综述。方法：本文从计算全息三维显示的原理出发，分析了全息图计算过程的复杂度、再现图像尺寸与视场角的关系以及影响因素，重点阐述了提高计算全息三维显示图像性能的技术方法，并对这些技术存在的问题进行了分析和讨论。结果：计算全息三维显示发展至今，尽管在各方面取得了进展，但有两个问题始终制约着它的进一步发展：一个是全息图的计算速度达不到实时显示的要求；另一个是受目前市场光电显示器件的限制，无法获得大尺寸和大视场角的三维图像。在计算机中生成全息图时，需要求解三维物体上每个采样点在全息面上的复振幅分布，这个过程非常耗时。目前提高计算速度的方法一方面是使用高性能的计算机设备。诸如专门用来加速全息图计算的硬件设备HORN系列，其比普通计算机的计算速度提高了1000倍左右。图形处理器（graphics processing unit，GPU）的高计算性能将其计算分辨率为 900×600，三维物体采样数为10000个点的全息图的计算时间缩短到1 s。但是利用硬件设备进行加速计算，给未来集成化、小型化的产品设计带来了困难。另一方面，研究着通过算法改进来提高计算速度：其中递归方法，附加相位体视全息图，附加波面记录屏等算法通过降低全息图的计算复杂度来提高计算速度，但都不同程度地降低了再现像的质量。查找表格（look-up table，LUT）的方法通过预先计算大量的空间点的全息图，将其保存在硬盘或内存里，待再现三维物体时，只需查找对应已存的全息图调用叠加即可，无需在线计算，从而在不降低再现像质量的情况下提高了计算速度，但是该方法需要占用大量的存储空间。后续学者提出了很多针对LUT的改进算法以降低其对存储空间的要求。将算法与高性能计算机相结合的方法能够将全息图的计算速度进一步提高，这是目前提高计算速度的有效手段，也是未来发展的主要趋势。获得大视场角和大尺寸的三维图像的方法主要是增大空间光调制器（spatial light modulator，SLM）的像素数。因此目前的主要手段是利用多个 SLM 进行平面或者弧面排列拼接的方式来再现三维图像。其中采用弧面拼接的方法，获得了再现像尺寸10 mm，视场角24°的三维图像。采用多 SLM 拼接技术虽然能够扩大视场角，但系统本身比较复杂，成本也比较高。如果需要再现彩色的三维图像，将会进一步增加系统的复杂度，不易产品化。研究者考虑利用单个 SLM 将不同视角的图像按照时序投射到相应的观察位置，利用人眼暂留特性，来扩大再现像的尺寸及视场角。这种方法对SLM的帧频速率要求比较高。而将时分和空分复用相结合的方法，则能进一步提高全息再现像的尺寸和视场角，其中以剑桥大学的Active Tiling系统为典型代表。其它方法则可以通过光学缩小像素尺寸以增大全息图视场角。从目前报道的方法分析可以看到，还没有一种方法能摆脱显示器件的限制而有效提高再现图像的三维尺寸与视场角。结论：计算全息三维显示技术是一种非常理想的真三维裸视立体显示技术。虽然在算法及实验设备等方面都取得了很大的进展，但该技术尚未得到本质上的突破，仍然无法进入实际的应用阶段。其主要原因是全息图的计算速度达不到实时显示的要求，从目的前研究进展看，解决办法集中在开发出快速算法以及使用超级计算机。由于全息图计算的高度并行性，利用GPU计算逐渐成为主要的计算模式。另一个原因是受到目前计算全息三维显示器件的限制，无法获得大尺寸和大视场角的三维图像。在利用现有光电显示器件的前提下，解决办法是使用多SLM拼接的技术，但这种方法会增加系统的成本及复杂度。而利用时分复用的方法则要求高帧频的SLM。

来源出版物：激光与光电子学进展, 2012, 54(5): 050002

入选年份：2017

基于近红外光谱技术的猪肉新鲜度等级研究

郭培源，林岩，付妍

摘要：目的：随着人们生活水平的提高，近年来我国猪肉消耗量持续增加，而各种问题猪肉层出不穷。国家对肉食品 安全给予了极大重视，如何快速、准确、简便地检测肉类食品质量更是人们关注的热点。近年来近红外（NIR）技术已在豆类、牛奶食品检测中得到了应用。本文利用近红外光谱技术检测猪肉在腐败过程中不同时刻的光谱，研究了猪肉新鲜度等级划分的可行性，并运用近红外 OPUS软件建立了分析模型。为了更好地反映猪肉新鲜度等级，用SOM神经网络聚类方法重新划分了总挥发性盐基氮（TVB-N）国家标准等级，由原来的3个等级划分成 5个等级标准。方法：限于实验条件和测量环境，在通用检测标 准允许的范围内，实验样品采用在市场中购买的尽量新鲜的猪肉。每隔2 h对猪肉样品进行 1次测量，利用德国 Bruker公司的 MATRIX-F近红外光谱分析仪，光谱范围为700～2500 nm，分辨率为2 cm-1，采集到了不同变质程度的猪肉样品光谱图。先将测定的近红外光谱样品分成学习集和检验集，对学习集的样品谱图进行校正、预处理和信息提取等，然后建立定性模型，并不断用检验集进行模型验证，直到输出模型效果最好为止。在猪肉腐败过程中采集了多个TVB-N值序列，利用SOM神经网络（NN）对这些序列进行聚类。SOM 算法采取“胜者为王”的竞争学习方法，将数据以定量的方式进行定性分析，在没有目标分类结果的情况下仅依据输入样本就可聚类区分，突显出不同于反向传播神经网络（BPNN）等算法的优势。再根据聚类中心以及聚类中心之间的距离，将猪肉新鲜度等级重新划分成5个等级标准，既可满足实际应用需要，又可验证模型的准确度级别。当然，为了有效提高模型的预测能力，在聚类分析前选用主成分分析（PCA）方法进行降维处理，最后采用OPUS软件提供的系统聚类方法建立模型。结果：本文研究的成果如下：（1）利用SOM算法采取“胜者为王”的竞争学习方法，将数据以定量的方式进行定性分析，将将猪肉新鲜度等级重新划分成5个等级标准，TVBN值小于0.95的对应光谱标识为1级，表示新鲜肉，其中样品编号为“类别·编号”，如 1.1，1.2，1.3，…，依此类推；TVB-N值为10.95～16.937对应光谱标识为2级，表示中鲜肉；TVB-N值为16.937～24.626对应光谱标识为3级，表示次鲜肉；TVB-N值为24.626～32.836对应光谱标识为4级，表示中腐肉；TVB-N值大于等于32.836的对应光谱标识为5级，表示腐败肉。（2）对比5种预处理方式：一阶导数、二阶导数、矢量归一化、一阶导数+矢量归一化、二阶导数+矢量归一化。最终选用一阶导数+矢量归一化（平滑点数为 13）能够很好地解决基线的偏移，有效消除基线和背景干扰，提高灵敏度和分辨率，同时又能减少引入的噪声，放大某些波峰和波谷对应的光谱特征，提高模型预测的准确度，能为后面的聚类分析提供准确数。（3）实验中选取5个在不同时刻的近红外光谱检验集样本和TVB-N值，用经过和未经过PCA降维处理的聚类分析方法对30个学习集样本进行预测，经PCA降维处理后，样品预测正确率由50%提高到70%，预测级别偏差为3的样品也由1个减少到0，提高了模型预测能力。（4）对比分析5种不同的聚类方法：单耦合（single linkage）、全耦合（complete linkage）、平均值耦合（average linkage）、中值滤波算法（median algorithm）和质心算法（centroid algorithm）。通过比较分析发现，采用complete linkage聚类方法得到的聚类结果最为理想。结论：研究了近红外光谱分析技术用于检测猪肉新鲜度分级的可行性。为了提高分级模型预测的准确度，选用一阶导数+矢量归一化预处理算法，为了有效提高模型的预测能力，选用主成分分析方法进行降维，通过主成分分析，建立了猪肉新鲜度等级的预测模型。实验证明，近红外技术用于测定猪肉新鲜度等级所采用的SOM神经网络聚类方法等级划分方案是有效、可行的。研究表明，分级增加到5个等级，既可满足实际应用需要，又可验证模型的准确度级别，而经过主成分分析降维处理的聚类分析方法能很好地提高模型的预测能力。这为近红外技术在工业化生产中用于分析和检测猪肉新鲜度的可行性及其预测能力的提高与改进提供了一种有效的方法和思路。

来源出版物：激光与光电子学进展, 2013, 50(3): 033002

入选年份：2017

基于多光谱成像选取四季豆叶片的特征波段

曹鹏飞，李宏宁，罗艳琳

摘要：目的：我国园艺作物种类繁多，地域辽阔，如何快速、远距离、大面积地收集作物信息对及时指导和调控农业发展意义重大。基于人眼视觉，凭主观经验观察作物的颜色、纹理和形状可以获取大量直观信息，但往往对作物特征信息有误判、效率低，不能一次性远距离、大范围地监测作物；传统的红绿蓝三色（RGB）成像技术和光谱仪均无法同时获取被测目标的光谱信息和空间信息，且成像数据波段多和数据量大对成像光谱仪的性能和数据处理算法提出了更高的要求，因此成像数据的处理对快速识别作物信息显得尤为重要。所以有必要从大量成像光谱数据中选择出有效的特征波段，用于对园艺作物的光谱特征信息进行快速识别和分类。方法：本文基于液晶可调谐滤波器（LCTF）和CMOS相机组成的多光谱成像系统可以同时从光谱维和图像维获取作物信息，用于建立作物数据库和快速识别作物，克服了传统科学领域在目标识别方面“同色异谱”的瓶颈。多光谱成像技术以其实现简单、图谱合一等特点在信息获取与处理领域显得尤为重要。多光谱成像系统能够以较多的通道为作物特征识别提供丰富的光谱维和空间维信息，但波段过多往往使得数据冗余度大、波段间相关性强、计算耗时，对算法设计提出了挑战。实验基于LCTF和CMOS相机组成的多光谱成像系统通过波段指数法和亮度信息法选取四季豆叶片的特征波段，在400～720 nm波段范围，基于液晶可调谐滤波器（LCTF）和CMOS相机组合的多光谱成像系统，以四季豆叶片为研究对象每隔5 nm 进行成像。根据图像亮度信息法和波段指数法的相关原理，分别计算得到各波段四季豆叶片的波段指数值和可识别度。结果：从实验数据和计算统计结果表明，通过对四季豆叶片的波段指数值和可识别度进行排序，综合图像的灰度离散、亮度信息丰富和波段的相关性小等特点，得出 545、630、645、720、650和570 nm波段有较大的波段指数值和较好的识别度；最后根据最小欧氏距离法和光谱角度匹配法分别对四季豆叶片的特征波段的分类精度予以计算，两种方法的分类精度分别为100.00%和83.33%，得出选取的特征波段对四季豆叶片具有较高的分类精度。结论：多光谱成像系统获取的数据丰富，用两种算法分别获取了四季豆叶片的特征波段，识别度较高。因此，从特征波段和全波段角度对四季豆叶片和白板的分类精度予以评价，545、630、645、720、650和 570 nm 波段可作为四季豆叶片的特征波段。此研究结果主要用于对四季豆叶片的特征快速识别、聚类分析和数据库建立等方面。

来源出版物：激光与光电子学进展, 2014, 51(1): 011101

入选年份：2017