1 北京理工大学光电学院，北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心，北京 100081
超短焦偏振折反射虚拟现实（VR）镜头是新兴的近眼显示光学解决方案，能满足用户对大视场、大出瞳和高清晰度的需求。本文详述了超短焦偏振折反射VR镜头的光路原理，说明了偏振折反射VR光学方案相较于传统VR光学方案的优势，并研究了低应力镜片的设计方法。为增加设计自由度，提出将非球面转化为环形拼接非球面，并介绍了拼接非球面的数学描述与优化策略。针对不同视场的像质差异问题，引入了像质自动平衡优化算法。采用上述方法先后设计了47°视场角和96°视场角的两款超短焦偏振折反射VR镜头，在像质平衡优化后，全视场调制传递函数值较采用普通非球面的系统提升了0.35以上。研究结果证明了环形拼接非球面在VR镜头设计中的可行性与高自由度优势，并体现了像质平衡优化算法的实用性。介绍了超短焦偏振折反射VR镜头的研发流程，原理样机的测试结果验证了该光学系统的良好显示性能。本文提出的设计方法对VR近眼显示设备的高清化与轻量化发展具有指导意义。
光学设计 虚拟现实 近眼显示 拼接非球面 超短焦偏振折反射镜头 光学学报
2023, 43(15): 1522001
为满足高性能光学系统的设计要求，需要研究面形灵活可控的光学曲面数理描述方法和其相应的分析及设计方法。具有更多自由度的复杂光学曲面可以有效提升光学系统的性能。简要讨论了光学曲面的数理描述方法；概括性地介绍了光学曲面数理描述方法的研究现状与进展，介绍了局部和整体面形控制方法，归纳总结了新的复杂光学曲面数理描述方程，并通过实例证明相关曲面应用的可行性和有效性。最后对曲面数理描述方法的未来发展进行了讨论和展望。
光学设计 几何光学 成像系统 光学曲面 数理描述
试验物理与计算数学重点实验室, 北京 100094
由于临近空间高超声速飞行器具有速度快、高度低、机动能力强的优点,故以陆/海基雷达、高轨红外卫星为主建立的预警探测体系难以对其实施全程有效探测。因此,针对高超声速飞行器的技术特点,对低轨红外卫星的探测能力和全球覆盖性进行了研究。首先,基于类HTV-2升力体的气动外形,模拟了典型工况参数下飞行器的表面温度分布。然后,构建了低轨红外卫星探测模型。结合红外探测器典型性能参数,给出了不同轨道高度下探测器信噪比与观测视角和工作波段的关系,并得到了红外卫星在550 km和1600 km轨道高度下的有效探测半锥角。最后,给出了具有全球探测能力的低轨红外卫星星座的构型及主要参数。
探测器 目标探测 低轨红外卫星 星座构型 高超声速飞行器 全球覆盖 光学学报
2021, 41(21): 2104002
Author Affiliations
Abstract
1 School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
2 Beijing Engineering Research Center of Mixed Reality and Advanced Display, School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
3 Beijing Key Laboratory of Advanced Optical Remote Sensing Technology, School of Optics and Photonics, Beijing Institute of Technology, Beijing 100081, China
Using compressive sensing for imaging has many applications, and it is an important branch of computational imaging. In this Letter, freeform surfaces are introduced in the hardware optical system design of a compressive sensing imager. The system works under the medium wave infrared band and realizes a compression with a field-of-view of . Good imaging performance is achieved in both the entire system and the freeform objective optics. Compared with the system using all spherical lenses, the volume of the freeform system is about 1/3 smaller, and the total transmittance is about 56% higher, which shows the benefits of using freeform surfaces for compressive sensing and computational imaging.
compressive sensing freeform optics compactness and high-transmittance joint optimization Chinese Optics Letters
2021, 19(11): 112202
红外与激光工程
2020, 49(3): 0303007
1 清华大学精密仪器系精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京 100084
2 深圳大学光电工程学院教育部广东省光电子器件与系统重点实验室, 广东 深圳 518060
基于光学原理的三维扫描技术通过光学系统对物体空间外形进行扫描,获取物体的三维信息,具有非接触性、高精度和高分辨率等优点。目前,工作距在1 m内的结构光三维扫描重建精度可达0.01 mm量级,点云数量可达百万量级。而采用纹理重建技术能进一步呈现扫描物体的色彩、材质等信息,提高了重建物体的真实感。由于相机误差和光照环境等因素影响,在纹理映射后纹理图像中容易产生接缝、模糊和重影等现象。通过建立相机模型,推导三维空间点和二维图像间的映射关系,归纳造成纹理残留处理痕迹的原因;分类介绍不同策略下消除纹理重建中残留处理痕迹的方法,总结其研究成果在纹理重建中的作用;针对纹理重建中尚存在的不足,对彩色三维扫描的纹理重建方法的发展方向进行了展望。
三维传感 纹理重建 马尔可夫随机场 复合权重纹理融合 色彩校正 激光与光电子学进展
2018, 55(11): 110004
1 中国气象局 中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室, 北京 100081
2 中国气象局 国家卫星气象中心, 北京 100081
3 北京理工大学 光电学院, 北京 100081
调制传递函数(Modulation Transfer Function, MTF) 是客观评价遥感器光学系统在轨特性的主要指标之一。为了避免使用地面目标评估气象卫星在轨MTF时, 大气传输对计算结果的影响, 研究了使用月球目标来计算其在轨MTF的方法。选择由风云二号G星扫描辐射计(VISSR) 获取的不受大气传输影响的月球目标遥感图像, 作为刃边法的输入图像来计算VISSR的在轨MTF, 并且根据探测器的不同探元, 划分不同的子图像, 分别计算其MTF特性。实验结果表明, 使用月球目标得到的MTF结果为0.320 1, 而地球目标由于有大气影响MTF结果仅为0.216 4, 月球目标结果明显优于地球目标。且遥感器各探元结果一致性较好, 在连续时间内由同一子图像计算的不同探元的MTF结果的标准差仅为0.013 31, 表明使用该方法评估的MTF具有稳定性。
月球图像 遥感光学系统 调制传递函数 刃边法 knife-edge lunar limb image remoting optical system modulation transfer function 光学 精密工程
2018, 26(12): 3012
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 北京市混合现实与新型显示工程技术研究中心, 北京 100081
提出了分段环形曲面的面型描述及设计方法。提出了一种从非球面到分段环形曲面的高精度转换方法来建立初始曲面,并讨论了分段环形曲面的优化策略、实现方法和约束条件。将所设计的分段环形曲面应用于一款超短焦投影物镜的设计和优化中,优化后的系统总长仅为155 mm,最大畸变仅为1.36%。研究结果表明,该新型曲面可以提高光学系统设计的自由度和灵活性。
光学设计 面型描述 分段曲面 超短焦投影物镜
1 中国科学院上海光学精密机械研究所科技考古中心， 上海 201800
2 中国科学院大学光学精密机械研究所， 北京 100049
3 深圳大学光电工程学院， 广东 深圳 518060
彩陶文化作为新石器时期的重大发明， 改变了远古先民的审美方式， 而著名的仰韶文化以其彩陶的优美造型、 绚丽色彩和丰富的纹饰揭示了原始的艺术特征， 承载了史前时期重要的社会文化信息。 而利用现代光谱分析技术准确、 无损和微损的特点， 可以为文物保护的研究提供更科学的技术支撑。 研究应用相位辅助光学三维扫描、 多光谱成像、 X射线荧光、 激光拉曼光谱分析技术， 对河南省陕县庙底沟遗址出土的新石器时代晚期仰韶文化彩陶碗进行面、 点相结合的综合分析， 获得了较为完整的文物物理和化学信息。 利用三维扫描技术所构建的彩陶碗数字化模型对样品进行了几何尺寸的非接触测量和虚拟修复， 利用多光谱成像技术所获得的灰度图像对样品表面化学特征相似区域进行了区分， 结合X射线荧光和激光拉曼光谱分析技术对彩陶残片的分析结果， 确定了所分析彩陶样品的主要化学成分特征和颜料物相组成。 综合研究结果， 提出了建立彩陶文物多源信息数字化模型的构想， 为这类文物的数字化保护和展示提供了基础科学信息。
彩陶 三维扫描 多光谱成像 激光拉曼光谱 文物保护 Spaintedpottery Three-dimensional scanning Multispectral imaging Laser Raman spectroscopy Conservation of cultural relics 光谱学与光谱分析
2018, 38(5): 1420
1 北京理工大学光电学院, 北京 100081
2 中国气象局国家卫星气象中心, 北京 100081
3 中国气象局中国遥感卫星辐射测量和定标重点开放实验室, 北京 100081
在介绍风云三号E星(FY3E)晨昏轨道气象卫星和微光成像仪特点的基础上, 利用Satellite Tool Kit仿真技术并根据FY3E轨道参数, 针对FY3E所搭载的遥感器(微光成像仪)可能受到来自太阳和月球的外部杂散光的情况进行模拟分析, 并设计了遮光方法来抑制外部杂散光。分析结果表明, 2006-12-18当天太阳矢量与遥感器底部窗口法向量的夹角最小, 遥感器受太阳杂散光的影响最大。进一步分析了遥感器可能受月球杂散光的影响, 发现只要满足太阳遮挡条件, 月球就不会对遥感器产生杂散光。因此, 设计遮光板时只要考虑太阳矢量与遥感器窗口法向量的夹角即可。目前的遥感器视场角为55°, 遮挡杂散光的效率较低。将遥感器视场角减小到50°, 同时减小遮光板尺寸, 可以提高对杂散光的遮挡效率且不影响其应用。
大气光学 晨昏轨道 杂散光 Satellite Tool Kit仿真 微光成像仪 风云三号 激光与光电子学进展
2017, 54(5): 050101
