基于大口径高温固定点黑体的光谱辐射照度国家基准量值复现新方法

采用国际前沿的大口径高温固定点黑体新技术,中国计量科学研究院NIM(National Institute of Metrology)组建了大口径钨碳-碳WC-C高温固定点黑体辐射源,在3020.11 K的融化点温度,实现了250~2500 nm光谱辐射照度、相关色温和分布温度基准的量值复现。这是国际上首次将大口径高温固定点黑体技术成功应用于光谱辐射度基准复现领域。针对大口径固定点黑体熔化温坪曲线的特点、以及测量期间温坪曲线中间部分缺失的问题,提出了固定点熔化温坪拐点温度计算新方法,重构了缺失的熔化温坪曲线。采用光谱比较法,通过双光栅光谱比较测量系统将黑体的量值传递至光谱辐射照度副基准灯组,完成光谱辐射照度基准量值的复现和保存。新的量值复现方法将黑体温度的测量不确定度减小为0.36 K,缩短了量传链,实现光谱辐射照度最佳测量不确定度0.25%(k=2)。在250~2500 nm,基于固定点新方法和传统变温黑体法进行量值复现的平均偏差为0.42%,将两种方法相结合,最终实现我国光谱辐射照度基准的测量不确定度(k=2)为:250~400 nm,U rel=1.9%~0.43%;400~1000 nm,U rel=0.43%~0.25%;1000~2200 nm,U rel=0.25%~0.76%;2200~2500 nm,U rel=0.76%~2.4%。基于固定点黑体的光谱辐射照度量值复现技术已经应用于遥感仪器的辐射定标,用于提升仪器的测量准确度。

Ca_(2)SnO_(4):Eu3+陶瓷的光致变色及光强调控特性研究

开发光辐射响应好、稳定性强的光致变色材料是无机光致变色材料研究的一大目标。研究采用高温固相反应法制备了稀土离子Eu^(3+)掺杂的光致变色陶瓷Ca_(2.02-x)SnO_(4):xEu^(3+)。对陶瓷的光致变色行为展开研究,发现在290 nm光照下着色效果最好,陶瓷由白色变为灰色。440 nm光照8 min后着色陶瓷颜色基本恢复,或者将着色陶瓷加热至623 K后灰色完全消失。光致发光性能研究表明395、466和534 nm可激发出以617 nm为主的红色光发射。研究了陶瓷的光强调控特性,发现290 nm光照射能使陶瓷的发射光谱强度显著降低,617 nm处有最高着色光强调制率86.9%。经过10个循环的着色-漂白实验,陶瓷光强调控性能保持稳定,表现出良好的可逆性。陶瓷的光致变色行为和光强调控行为表现出明显的特征UV波长响应和UV光辐射累积响应特点,表明该材料有望应用于光辐射剂量探测领域。

基于光谱反射率的低照度图像增强方法研究

低照度图像增强技术是机器视觉研究热点之一,Retinex理论模型假设图像是反射分量与光照分量乘积,通过去除或校正光照分量并结合物体的反射特性来恢复图像,被广泛应用在传统算法和深度学习增强模型中。光谱反射率是颜色的指纹,多光谱图像比普通图像的信息量更为丰富。色度学理论和Retinex理论都认为图像的颜色特性取决于反射系数,但光谱反射率是基于仪器测量获得真实的数据,而图像反射分量是基于图像分解假设的数据,目前文献没有从光谱角度对低照度图像增强进行研究。受Retinex理论启发结合深度学习非线性拟合能力,用颜色的光谱反射率代替RetinexNet网络中的图像反射分量,用CIE标准光源的光谱功率分布代替网络中的图像照明分量,提出了一种基于光谱反射率的低照度图像增强方法。首先对图像数据库中正常光照图像进行光谱重建,构建低照度图像与正常光照的多光谱图像数据集。然后训练将低照度图像转换成多光谱图像的深度学习网络模型。任意低照度图像通过网络模型得到多光谱图像,多光谱图像根据色度学理论得到CIEXYZ三刺激值,再通过标准颜色空间转换到RGB颜色空间中显示。该方法在公开LOL数据集上进行训练与测试,结果表明在图像噪声抑制和颜色恢复方面都优于常用方法,证明该方法对低照度图像增强的优越性和有效性。

超材料光谱选择性热辐射实验研究

热辐射是物理实验研究的一个重要方面。基于金属-介质-金属“三明治”式微纳米结构,制作了一种超材料光谱选择性窄带热辐射源。测量结果表明,该辐射源能够将热辐射能量集中在9.03μm波长附近,峰值发射率高达98.0%,发射带宽仅为1.58μm。实验还展示了这种热辐射源峰值辐射波长的灵活调控特性。

光纤布拉格光栅长外腔反馈半导体激光器特性研究

窄线宽激光器是光谱学和精密计量学等实验的基本组成部分。由于半导体激光器对外部光学反馈十分敏感,所以可以利用光反馈的高带宽抑制半导体激光器的相位噪声,进而压窄线宽。本文采用光纤布拉格光栅作为反馈元件,搭建了长外腔反馈回路。为了降低外界环境温度起伏和气流扰动的影响,对反馈光路的光纤控温,使得1小时内最大温度起伏从0.039℃降低到0.003℃。此外,测试了反馈带宽对激光线宽的影响,尽管实验所用光纤布拉格光栅的带宽远大于自由运转的激光线宽,但仍然可以观察到激光线宽被压窄,且光纤光栅的带宽越小,激光线宽越窄。对于此现象,分析认为在反馈回路中应该存在一种负反馈机制,可以将激光线宽稳定到反馈光谱的某个斜率处,所以光纤光栅的反馈带宽越窄,反馈光谱的斜率越大,反馈越灵敏。通过调整光纤光栅的反馈功率在0~1 mW范围内改变,观察到当反射功率为0.8 mW时,光反馈将激光线宽从自由运转的100.5 kHz压窄到最窄的11.5 kHz,0.2 kHz~2 MHz范围内的相位噪声降低约20 dB。

基于Philips棱镜3CMOS相机的光学设计及其光谱优化

针对彩色数字相机高成像质量以及高色准的需求,本文研究了基于Philips棱镜的3CMOS相机的光学系统设计以及相机光谱优化方法。通过对Philips棱镜进行光路建模,优化了棱镜的结构参数。在保证全内反射以及出射窗口大小的条件下,减小了系统的体积,并由此设计了Philips棱镜3CMOS相机光学系统。其视场角为45°,相对孔径为1/2.8,在110 lp/mm的奈奎斯特采样频率下,系统的MTF全视场全波段均大于0.4。基于色度学基本原理建立了Philips棱镜相机的矢量成像模型,分析了由光线入射角度变化造成的薄膜光谱偏移,提出了宽光束下光谱偏移的修正模型。利用该模型设计并优化了相机中的4组光学薄膜。通过光路仿真实验以及色差分析,基于优化后的相机光学系统的平均色差降低了15.8%,像面颜色不均匀性降低了60%。结果表明:本文设计的光学系统拥有良好的成像质量,优化后的相机光谱实现了良好的颜色性能以及颜色均匀性。

Ho^(3+)、Yb^(3+)掺杂锡酸钙陶瓷的双模发光及光强调制研究

稀土离子掺杂的无机光致变色材料通过将光致变色与光致发光强度调制进行耦合可应用于光信息存储。采用多光子吸收策略研制具有双模发光调制性能的材料,是提升光信息储存寿命的有效手段。本研究以锡酸钙为基体,选用Ho^(3+)和Yb^(3+)共掺杂,制备得到具有双模发光及光强调制特性的陶瓷。461 nm蓝光激发下,陶瓷在可见光区域产生强烈的绿色和红色发射。980 nm近红外光激发下,陶瓷出现3个以551、669和756 nm为中心的可见光发射带。对上转换发光机理展开讨论,结果表明陶瓷上转换发光与双光子过程相关。365 nmUV光照射使陶瓷上转换和下转换发光强度产生衰减调制现象,绿色发光调制效果优于红色。通过热释光光谱测试得到陶瓷内部的陷阱分布与深度信息,证明了载流子陷阱的存在。UV光照前后的荧光寿命测试和发光动力学测试结果表明,光强衰减与发光中心到陷阱中心的能量传递有关。

基于光学辐照方法调控荧光光强及显色性

随着信息技术的发展,产品防伪和信息保护已成为许多行业密切关注的问题,研发防伪复杂度高的光学防伪材料受到研究人员越来越多的关注。选用Er^(3+)掺杂Ca_(2)SnO_(4)基体,发现Er^(3+)掺杂将占据4h位阳离子位置,在提升材料的光学性能过程中,具有两方面的作用。一方面,Er^(3+)作为发光中心,380 nm激发下,分别产生以550 nm为主峰的绿光发射和以671 nm为主峰的红光发射。另一方面,非等价的取代掺杂在材料中引入缺陷陷阱捕获载流子形成色心,有助于材料具备光致变色能力。在UV光源辐照后,材料的光致发光光强和荧光寿命表现出衰减调制现象。同时,材料的荧光显色参数如CIE色度坐标、色纯度、相关色温也会因UV光源辐照被调控。最后,借助能量传递理论,分析得到由发光中心向色心的能量传递是材料荧光调控现象产生的原因。上述研究表明通过外部光源照射的方式能够对Er^(3+)掺杂Ca_(2)SnO_(4)荧光光强及显色性产生调控,在光学防伪领域具有应用潜力。

基于大面积拼接优化的大功率LED照明阵列分布研究

为了实现在(4 m×6 m)目标面积内模拟适合座舱人机训练的光照均匀环境,提出一种面积拼接的大功率LED阵列设计方法。针对传统矩形和圆形阵列的照度分布不均匀问题,采用一种改进型的阵列分布,结合改进的粒子群算法进行优化排布。经仿真分析,改进型单模块阵列的照度均匀性为91.17%。由于安装误差的影响,实际测试光照均匀性为89%。单模块阵列拼接优化多模块LED阵列,仿真结果为照度均匀性85.83%,光能量利用率87.40%。研究结果显示,使用面积拼接方法设计的改进型多模块阵列更适合模拟大面积光照环境,具有高照度均匀性和高光能量利用率的特点,对实际应用具有重要的参考价值。

缅甸抹谷紫方钠石光致变色效应脱色效率研究

光致变色效应是紫方钠石最显著且极具价值的光学特征。本文通过EDXRF、FTIR、UV-VIS-NIR、D65标准光源、照度计以及色度学方法,对缅甸抹谷紫方钠石光致变色效应脱色效率进行了定量研究。紫方钠石的主量元素为Na、Al、Si和O,此外含有少量Cl和S,微量元素可含Ca、K和Fe, UV-VIS-NIR光谱存在472、540和667 nm的3个吸收峰,其中以540 nm吸收强度最大,脱色过程中,其光谱吸收峰峰位不变,但强度随时间逐渐减小,540 nm吸收峰面积在0~80 s与时间呈线性负相关(R^(2)=0.99);脱色过程中,当照度从5 000 lx升高至30 000 lx时,紫方钠石脱色效率明显升高,明度L^(*)升高,彩度C^(*)降低,色品a^(*)降低且色品b^(*)升高,色调由紫色向粉色调轻微变化,是电荷转移导致F中心被破坏的直接结果。

基于声光锁模全固态660 nm激光器

脉冲宽度为皮秒的红光激光器,具有脉冲宽度窄,峰值功率高的优点,使其在工业、医疗、科研和信息存储等方面具有广泛的应用。本文采用声光锁模(AOML)的方式设计了一款具有窄线宽、高转换效率,输出波长为660 nm的全固态皮秒激光器。该激光器采用半导体侧面泵浦的方式,通过优化谐振腔型,并使用两块LiB3O5(LBO)晶体进行腔外倍频,最终获得最大输出功率为8.6 W的660 nm激光输出。激光器采用脉冲侧面泵浦的模式,获得的锁模脉冲频率为100 MHz,脉冲宽度为887 ps。1319 nm至660 nm激光的倍频转换效率可达41%。

周期性超表面的广色域结构色调制光谱分析

设计一种新的周期性超表面,基于介质层与吸收层的夹层式纳米柱结构表现出强烈的共振吸收效应,在可见光波段实现具有广色域、高饱和度、高分辨率优势的结构色。使用时域有限差分法(FDTD)模拟周期性纳米阵列在调节周期、介质层厚度时的光学响应,基于反射光谱建立从结构参数到显色特性的映射关系。结果表明,周期与介质层厚度的协同调节可生成更丰富的结构色,周期通过改变主波长显著影响结构色色相,介质层厚度优化光谱形状有助于实现高单色性颜色;该结构的光谱反射率高、半峰宽窄、主波长覆盖面广,色域扩大至156.8%的sRGB;经优化后实现的高质量RGB颜色,在±40°入射范围色相变化低于0.075π。该研究在显示成像、纳米印刷、高分辨打印等领域的应用具有重要价值。

基于傅里叶变换光谱验证维恩位移定律

在红外波段对黑体辐射规律中的维恩位移定律进行了验证.通过搭建的傅里叶变换红外光谱仪测得一系列温度下黑体的红外辐射谱,验证了辐射峰值波长与温度倒数之间的正比例关系,比例系数为2.812×10^(-3)m·K,与标准值的偏差为3%.实验还探索了包括动镜移动速度校准等装置优化的方法,并采用傅里叶变换算法处理实验数据.

LED混光颜色质量及优化研究

在影视灯光和植物栽培等领域都需要对LED光源进行混光设计。本文采用遗传算法分别针对4色、6色LED混光光谱,单目标优化一般显色指数R_(a)或色彩保真度指数Rf,来获得高一般显色指数R_(a)或者高色彩保真度指数Rf。研究初始种群数目和进化代数对优化数值和优化时长的影响,同时分析一般显色指数R_(a)和色彩保真度指数Rf的关系。采用带精英策略的快速非支配排序遗传算法针对6色LED混光光谱,双目标优化一般显色指数R_(a)和电视光源一致性参数TLCI Q_(a),来同时获得高一般显色指数R_(a)和高电视光源一致性参数TLCI Q_(a),使得该光源能够在一些特定的场景如影视照明等作为良好的照明光源。仿真和实验结果表明:4色混光光源在色温为2700~7500 K范围内,一般显色指数R_(a)都超过95,色彩保真度指数Rf都能够超过93。同时色彩保真度指数Rf对一般显色指数R_(a)具有很好的兼容性。并且随着LED颜色数目的增加,一般显色指数最优化数值在增加。对于双目标优化6色LED混光光谱,在色温为3000~9000 K范围内,都能够保持一般显色指数R_(a)大于96,电视光源一致性参数TLCI Q_(a)大于96。

基于颜色视觉理论的实验室虹现象探究

设计实验室中虹现象的复现方案,研究虹现象的视觉特性以及折射介质的影响,引入颜色视觉理论,使用色度图定量表征虹现象的成像质量.设计基于液态介质的复现方案,得到符合理论推演的弓形色度图,验证上述表征方法的可行性.设计基于亚克力材料的复现方案,得到不同粒径、不同均匀程度的折射材料对应的虹现象及其色度图.对比发现,随着介质粒径的增大,对应虹现象中色彩丰富度明显提升.混合不同粒径的折射介质并使其均匀分布,得到色彩更丰富的虹现象.多次实验发现,当粒径为0.1~0.2 mm和0.2~0.4 mm的亚克力小球以质量比5∶12混合后,所得虹现象条带分布明显,具有较高的色彩丰富度和较低的噪点比例.

锰掺杂二维钙钛矿(PMA)_(2)PbBr_(4)中的发光性质及能量转移机制

通过锰掺杂,可以调节钙钛矿的发光波长,提高其发光量子产率。在二维钙钛矿(PMA)_(2)PbBr_(4)中引入Mn^(2+)掺杂,研究了(PMA)_(2)PbBr_(4)中Mn^(2+)掺杂的发光性质以及能量转移机制。研究表明,锰掺杂后,原来二维钙钛矿的激子复合发光峰(419 nm)变成了Mn^(2+)轨道^(4)T_(1)→^(6)A_(1)之间的跃迁发光(608 nm),其中发生了有效的能量转移。Mn^(2+)的引入导致晶格一定程度的畸变,进而激子寿命显著降低(从6.51 ns到0.30 ns);同时,由Mn^(2+)带来的发光寿命却对掺杂浓度并不敏感(0.23 ms),这源于此时发光对应于Mn^(2+)对应于4 T1→6 A1之间的跃迁。Mn^(2+)掺杂后,其光稳定性有了明显改善。因此,锰掺杂对于调节二维钙钛矿的发光波长或带宽,提高发光效率是一个有效手段,为二维钙钛矿在白光照明方面的应用提供可能性。

发射率对红外温度传感器测量精度的算法补偿研究

在实际的工况环境下,红外温度传感器所设置的材料发射率不同将会使得红外温度测量结果产生偏差,影响铝板材的板形质量。针对这一问题,本文构建了一种基于不同发射率作用下的温度补偿模型,修正待测物体在不同发射率下的温度测量值。结果表明:该补偿模型能有效降低发射率数值偏离对于轧辊红外温度测量结果的误差影响,温度误差值控制在1℃以内,对于提高红外温度传感器的测温精度有着重要意义。

小样本机器学习的激光传输效能评估方法

为解决激光大气传输外场试验数据集中特征量不足的小样本问题,通过多层相位屏算法构建了激光大气传输模型,获取了4000多组仿真数据,与332组近红外激光大气传输外场试验数据组成机器学习训练数据集。将大气参数、传输距离等作为输入项,4种到靶光斑的光场评价因子作为输出项,利用随机森林算法训练光场评价因子预测模型,实现激光大气传输效能评估,并利用202组实测外场数据对模型有效性进行验证。研究结果表明,随机森林算法构建的模型R2系数在0.89以上,可以较好地拟合输入与输出之间的多元回归关系;模型预测结果与真实试验结果的平均相对误差在10%以下,预测精度较高。研究结果可为机器学习算法在激光传输效能评估中的应用提供一定的科学依据,为激光大气传输效能评估提供一定的技术支撑。

一种适用于外场条件的红外系统分区域标定方法

为了减小全画幅平均红外标定引起的非均匀性误差,主要探究一种适用于外场条件的红外系统分区域标定方法。首先对增益系数矩阵进行估计,然后利用估计矩阵对标定区域进行划分,最后利用最小二乘法分别对不同区域进行标定,得到增益系数标定矩阵。通过开展大口径地基红外测量系统标定实验,对本文方法进行精度验证。结果表明,与传统方法相比,通过本文方法得到的标定方程进行目标辐射亮度反演时,平均相对误差减小13.07%,平均误差偏离度减小0.2877。该方法对于整个画幅标定精度更高,目标特性反演准确性显著提升,可为红外系统标定的实际工程应用提供有益的参考和借鉴。

LED照明体的应用及发展趋势

国际照明委员会(CIE)在最新出版的CIE 251:2023中发布了用于光度校准的标准光谱L41,这是CIE继1931年标准照明体A之后的另一种基于LED的用于光度计量的照明体,是光度计量史上近百年来的首次变化,必将对光度计量领域产生重大的影响。本文介绍了L41产生的背景、光谱分布选择方法和过程、LED标准灯的光谱分布与L41光谱失配的评价方法。基于分析比较L41与A光源的差异和特点,提出了我国建立基于LED的光度量值传递体系的路线图。