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光学精密工程

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2026年01期

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现代应用光学 | 计算光谱成像系统及光谱重建算法

现代应用光学 | 计算光谱成像系统及光谱重建算法

摘要：计算光谱成像技术基于压缩感知理论，在光学系统中引入编码器件，将高维光谱数据压缩映射为低维观测值后进行测量，并结合先进的光谱重建算法解码出原始光谱图像，在结构紧凑性、采集速度和制造成本等方面展现出显著优势，其消费级应用已逐步扩展至智能手机、无人机和遥感卫星等平台，服务于颜色成像、环境监测、医学诊断等多类场景。本文系统阐述了计算光谱成像的理论框架与方法体系，重点解析其典型的光学编码策略，包括振幅编码、波长编码、波前编码和多孔径编码，并综述主流重建方法，涵盖基于先验约束的迭代算法与基于深度学习的端到端模型。最后，本文还讨论了该领域的发展趋势及亟待解决的关键挑战。计算光谱成像技术与智能制造、人工智能、低空经济和智慧农业等战略性新兴产业的发展高度契合，未来有望在更多的领域中发挥重要作用。
现代应用光学 | 基于增材制造的碳化硅双面反射镜设计与可靠性验证

现代应用光学 | 基于增材制造的碳化硅双面反射镜设计与可靠性验证

摘要：为实现同轴四反光学系统中主镜和四镜所构成的 Φ516mm 双面共体反射镜轻量化、高刚度的设计目标，提出一种在传统轻量化设计基础上，融合多参数优化与碳化硅增材制造技术的方法。基于工程经验建立反射镜初始模型,选择主要结构尺寸建立多参数优化模型,并基于多目标遗传算法进行结构参数优化，优化后的反射镜质量为 6.8kg ，相对初始方案降低 32.6% 。最后，完成碳化硅双面反射镜3D打印及结构模态测试，所得一阶频率为 1964Hz 。对两个镜面光学加工后，开展了重力影响试验、真空高低温试验和振动试验。结果表明，试验前后反射镜面形精度最大变化为0.001λ( λ=632nm )。碳化硅双面反射镜结构设计和增材制造工艺具有良好的可靠性和稳定性。
现代应用光学 | 高性能几何光波导头戴显示器设计

现代应用光学 | 高性能几何光波导头戴显示器设计

摘要：为满足增强现实对光波导在大视场角、轻薄化及高沉浸感方面的需求，设计了一种基于阵列式几何薄膜光波导结构的可量产化轻薄型透射式头戴显示器光学系统。该系统由目镜系统、阵列波导系统和照明系统组成。阵列波导结构采用具有定制化角度选择膜系的半透半反薄膜阵列作为光学组合器，实现了出瞳扩展。通过“双半波片”偏振混合设计，将显示均匀性从单一偏振光的 59.66%～61.12% 提升至 76.61% （实际测试）。采用系统的光学仿真与设计方法，依托国内成熟的光学加工链(包括精密切割、研磨抛光、复杂膜系真空镀膜及精密胶合工艺),同时新增半波片贴膜工序，成功突破了阵列光波导量产化关键技术难点，制备出样机并实现量产。该设计解决了AR头戴显示器性能与量产难兼顾的问题，满足消费级与工业级应用需求。
现代应用光学 | 基于紫外增强空间光调制技术的单光子计数成像探测系统

现代应用光学 | 基于紫外增强空间光调制技术的单光子计数成像探测系统

摘要：针对空间天气监测、紫外预警侦查及高端分析仪器等领域对探测器的高灵敏度和大动态范围探测能力的需求，结合面阵单光子计数器在紫外波段高灵敏度、低噪声的优势和紫外增强数字微镜器件小像元尺寸、高空间光调制速率的特点,研制了一种单光子计数紫外成像探测系统。该系统可以实现对每个像元接收光谱时序的动态调节,对到达面阵单光子计数器的光子进行像素级调制。当识别到目标光谱信号较弱时，可以通过编码调制方法实现对探测目标成像区域信噪比的提高；当识别区域和空间域的相关算法控制，实现对应的图像传感器像素点不同层次的光强控制，使饱和区域处的光强快速调节至图像传感器最佳区域。设计了该系统内部的耦合光学结构，对其波长范围、暗计数率和动态范围等指标进行了测试。结果表明，其响应波段为 180～320nm ，动态范围为163.9dB，暗计数率为 0.481cps/cm² ，系统传递函数 >0.6 符合设计要求。该系统可以实现对于紫外光谱信号的高灵敏度、低暗计数率、小像元尺寸和高空间光调制速率的成像探测，为我国紫外波段高灵敏度成像探测等领域提供关键技术支撑。
现代应用光学 | 体散射片制备及静态激光散斑抑制

现代应用光学 | 体散射片制备及静态激光散斑抑制

摘要：针对激光显示中因激光的高相干性所引起的散斑问题，提出一种基于聚苯乙烯(PS)微球与聚二甲基硅氧烷混合物的体散射片（Volume Scatering Difuser，VSD),以用于静态激光散斑抑制。采用无皂乳液聚合法合成了平均粒径600～700nm 的PS微球，并通过旋涂法制备了不同厚度的VSD。实验结果表明，当VSD旋涂速度从 1300r/min 降低至600r/min 时，VSD的散射能力随其厚度的增加而增强，散射角从 44^° 升高至 100^° 。在光学测试系统中，较厚的VSD能更有效地破坏激光的时间和空间相干性，使散斑对比度降低至0.35。本研究为激光显示系统提供了一种无需外部驱动、无噪音且高效的静态激光散斑抑制方案，具有重要的工程应用价值。
微纳技术与精密机械 | 铝基碳化硅表面活化与镍磷非晶膜制备

微纳技术与精密机械 | 铝基碳化硅表面活化与镍磷非晶膜制备

摘要：铝基碳化硅因其高模量、轻量化特征,成为新一代空间光学反射镜理想材料，但表层氧化铝及多相界面缺陷使其很难达到光学镜面要求。为了满足铝基碳化硅反射镜的光学性能需求，对铝基碳化硅( SiC_p 体积分数为 20% )表面镍磷非晶膜的制备技术进行优化，采用“清洗-初次浸锌-退锌-二次浸锌-化学镀镍"的工艺路径，重点解决氧化膜去除、界面活化、界面强度提升及镀层厚度控制等核心问题。铝基碳化硅基体表层经初次浸锌产生碎屑状化合物，可部分去除氧化铝薄膜层，但形成的活化层厚度浅且易剥落。硝酸退锌处理能够清除化合物层并暴露基体材料。二次浸锌后实现大范围全覆盖活化，且碳化硅颗粒表面也被活化层覆盖，界面结合强度较未活化处理前得到提升。 L₉ 正交实验结果表明，化学镀时间对镀层厚度影响最显著，其次为二次浸锌时间和初次浸锌时间。最优参数组合为化学镀 8h 、初次浸锌10s、二次浸锌 2min ，镀层厚度约为 50～60μm 。本工艺通过分步活化与晶胞堆叠生长机制，协同提升了镀层界面结合强度与材料致密度，为空间光学反射镜的高稳定性需求提供了表面改性方案。
微纳技术与精密机械 | 激光诱导向后转移制备 Ag@Cu 微纳结构涂层及抗菌性能验证

微纳技术与精密机械 | 激光诱导向后转移制备 Ag@Cu 微纳结构涂层及抗菌性能验证

摘要：针对手机外壳表面细菌污染及抗菌性能不足的问题,提出一种采用激光诱导向后转移(Laser-indused BackwardTransfer，LIBT)技术制备的具有高效抗菌性能的手机保护壳。以商用透明手机保护壳为基底，通过LIBT技术在其表面成功构筑了Ag@Cu微纳复合抗菌涂层。实验结果表明，激光功率与微结构涂层元素含量呈正相关，Ag@Cu元素质量占比随功率提升而增加，大气环境下即可实现高效制备，工艺简便且成本可控。微结构涂层对革兰氏阳性（金黄色葡萄球菌)和阴性(大肠杆菌)菌株均表现出显著抑制效果，当激光功率 ?16W 时，抗菌率突破 99.99% ,Cu元素质量占比提升直接增强了抗菌效能。本工作突破传统技术局限，实现了透明基体表面高精度微纳结构构筑，工艺参数可精准调控，适用于规模化生产，为新型抗菌表面的设计与制造提供了参考。
微纳技术与精密机械 | 涵道式飞行汽车螺旋桨的气动特性与涵道外形设计

微纳技术与精密机械 | 涵道式飞行汽车螺旋桨的气动特性与涵道外形设计

摘要：为设计满足涵道式飞行汽车悬停状态下高效拉力需求的螺旋桨，提出一种飞行汽车涵道螺旋桨的设计方法。该方法基于叶素动量理论、涵道螺旋桨涡流理论对桨叶进行设计,通过计算流体力学（ComputationalFluid Dynamics，CFD）修正得到满足设计要求的涵道螺旋桨。在飞行汽车悬停工况下，对涵道螺旋桨进行气动研究，分析了涵道螺旋桨与孤立螺旋桨的气动性能。结果表明，涵道螺旋桨通过抑制叶尖涡以及利用涵道产生附加升力，总拉力较孤立螺旋桨提升11.1% ，功率消耗降低 10.5% 。为优化悬停工况下涵道螺旋桨性能，提出一种可变涵道螺旋桨设计，通过动态调节喇叭口扩张角，实现悬停状态进气量最大化，总拉力提升 15.53% 。本研究验证了叶素动量理论结合CFD修正的高精度设计方法，为飞行汽车推进系统的高效气动设计提供了理论与技术支撑。
微纳技术与精密机械 | 跨尺度驱动纵切模态压电电机设计与实验

微纳技术与精密机械 | 跨尺度驱动纵切模态压电电机设计与实验

摘要：为突破现有压电电机难以兼顾高速运动与高分辨率定位的局限，设计了一种跨尺度纵切模态压电电机，通过准静态和谐振态双模式工作满足精密驱动领域对速度与精度的双重需求。该电机采用纵振换能器(基于压电陶瓷 d₃₃ 效应）和夹心式剪切换能器(基于压电陶瓷 d₁₅ 效应)复合的定子结构，利用同频正交振动合成驱动足椭圆运动轨迹。通过有限元仿真优化关键参数：针对准静态模式，将第一级铰链刚度设计为 16.66N/μm ,以提升位移输出效率；针对谐振态模式，调整结构参数实现纵振 (7829.6Hz 与弯振 (7860.7Hz 模态频率简并。实验结果表明：在准静态激励下（频率800Hz 、预压力 0.38N ，电机最小位移分辨率达 39nm ，最大速度为 0.95mm/s ;在谐振态激励下（频率 6780Hz 、相位差30^° ，最大空载速度达 125.33mm/s ，最高负载为 0.45N 。该电机在速度！ (125.33mm/s) 和分辨率（ 39nm )上均显著优于传统单一模式电机，解决了高速与高精度难以兼容的难题,为跨尺度精密定位驱动提供了有效技术方案。
信息科学 | 基于图像匹配的高空大斜视无源目标定位

信息科学 | 基于图像匹配的高空大斜视无源目标定位

摘要：提出一种基于图像匹配的无源定位方法，通过引入基于Transformer的特征增强与MiHo聚类筛选的两步匹配策略,减轻了高空大斜视条件下传统无源定位算法因微小角度误差导致的定位精度下降程度。根据粗定位结果与飞行参数对航拍图像进行近似正射变换，并截取对应区域的卫星图像。采用 RepVGG 提取图像粗特征，通过互最近邻实现初步匹配,并结合MiHo与归一化互相关（Normalized Cross Correlation，NCC)筛选匹配点对。最后，借助Transformer模块完成精细化匹配，再根据精匹配结果构建角度误差修正矩阵，多次选代修正系统误差。实验结果表明，所提方法的定位精度较传统方法有较大幅度提升，在典型应用场景下提升约 70% ，在斜距 90km 的情况下，定位精度可维持在 120m 左右。该方法突破了传统无源定位对角度精度的高度依赖，验证了基于图像匹配的无源定位路径的可行性与有效性。
信息科学 | 基于JPEG-LS的多核压缩成像系统

信息科学 | 基于JPEG-LS的多核压缩成像系统

摘要：针对小卫星的高分辨率航天CMOS相机硬件成本受限、数据存储资源紧张的问题，提出了一种基于现场可编程门阵列（Field Programmable Gate Array，FPGA)的JPEG-LS图像压缩算法实现方案,通过并行分组模式在单片FPGA上构建了多核实时压缩成像系统。利用FPGA接收CMOS探测器输出的多通道高速图像数据，采用十一级流水线实现JPEG-LS图像压缩算法，并计算其编码参数和优化上下文更新部分的结构，以缩短关键路径。最后,利用多个JPEG-LS图像压缩核对CMOS探测器输出的多通道高速图像数据进行分组并行压缩。实验结果表明,在当前系统中,改进后的JPEG-LS图像压缩核最高运行频率为 46MHz ，压缩参数near为1时，系统近似于无损压缩且压缩比大于4，解压图像的峰值信噪比为50dB左右，基本满足遥感图像压缩速率和质量需求。本文为具有图像压缩功能的高分辨率航天CMOS相机设计提供了参考。
信息科学 | 时空对比学习驱动的弱监督图像语义分割网络

信息科学 | 时空对比学习驱动的弱监督图像语义分割网络

摘要：现有基于视觉变换器(VisionTransformer，ViT)的图像级弱监督语义分割方法主要依赖自注意力机制提取有限的语义信息，未能充分利用多维特征关系，导致目标区域的识别较为粗略。为此，提出一种时空对比学习驱动的弱监督图像语义分割网络（Spatio-temporal ContrastiveLearming，STCL）,旨在通过时间、空间角度挖掘监督信息,以提高分割精度。通过ViT的令牌机制，引人了空间特征对比学习模块，结合补丁级令牌和类级令牌对比策略，深人探索图像空间中隐含的语义特征关系;设计了时间上下文对比学习模块，通过构建记忆库，利用历史图像分割中的先验知识来指导当前语义分割任务，并建立了记忆库更新策略和自适应记忆对比度损失，进一步提升了模型对细节区域的辨识能力。实验结果表明，在PASCALVOC和MSCOCO数据集上的平均交并比可以分别达到 72.7% 以及 43.6% ，证明了所提出方法的优越性。
信息科学 | 基于三分支网络的实时图像语义分割

信息科学 | 基于三分支网络的实时图像语义分割

摘要：针对自动驾驶环境感知等应用场景对算法准确性和实时性的严苛要求，为了有效平衡语义分割模型的精度与推理速度,提出一种基于三分支网络的实时图像语义分割算法。借鉴PIDNet算法设计三分支网络结构，分别用于提取图像的细节信息、语义上下文信息和边缘信息。在语义分支设计高效金字塔池化模块，用于获取不同尺度的上下文信息，同时增大网络特征感受野。在细节分支和边缘分支设计轻量高效的多尺度通道交互注意力模块，以对提取到的特征进行增强。最后，融合上述三分支提取的图像特征并输出最终的语义分割结果。实验结果表明，所提出的基于三分支网络的实时图像语义分割算法在Cityscapes数据集取得了 79.2% mIoU及88.5frame/s的实时语义分割性能，在CamVid数据集取得了 80.5% mIoU及140.1frame/s的实时语义分割性能。本文提出的算法可以高效地实现图像语义分割任务，实时性和准确性方面均获得了极佳的平衡，语义分割性能显著优于现有基准方法。

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目录

现代应用光学 | 计算光谱成像系统及光谱重建算法

现代应用光学 | 计算光谱成像系统及光谱重建算法

现代应用光学 | 基于增材制造的碳化硅双面反射镜设计与可靠性验证

现代应用光学 | 基于增材制造的碳化硅双面反射镜设计与可靠性验证

现代应用光学 | 高性能几何光波导头戴显示器设计

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现代应用光学 | 基于紫外增强空间光调制技术的单光子计数成像探测系统

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现代应用光学 | 体散射片制备及静态激光散斑抑制

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微纳技术与精密机械 | 铝基碳化硅表面活化与镍磷非晶膜制备

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微纳技术与精密机械 | 激光诱导向后转移制备 Ag@Cu 微纳结构涂层及抗菌性能验证

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微纳技术与精密机械 | 涵道式飞行汽车螺旋桨的气动特性与涵道外形设计

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微纳技术与精密机械 | 跨尺度驱动纵切模态压电电机设计与实验

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信息科学 | 基于图像匹配的高空大斜视无源目标定位

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信息科学 | 时空对比学习驱动的弱监督图像语义分割网络

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信息科学 | 基于三分支网络的实时图像语义分割

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