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Abstract
1 Department of Mathematics and Computer Science, Eindhoven University of Technology, PO Box 513, 5600 MB Eindhoven, The Netherlands
2 Signify Research, High Tech Campus 7, 5656 AE Eindhoven, The Netherlands
We present a novel approach of modelling surface light scattering in the context of two-dimensional reflector design, relying on energy conservation and optimal transport theory. For isotropic scattering in cylindrically or rotationally symmetric systems with in-plane scattering, the scattered light distribution can be expressed as a convolution between a scattering function, which characterises the optical properties of the surface, and a specular light distribution. Deconvolving this expression allows for traditional specular reflector design procedures to be used, whilst accounting for scattering. This approach thus constitutes solving the inverse problem of light scattering, allowing for direct computation of the reflector surface, without the need for design iterations.
Surface scattering Reflector design Illumination optics Inverse methods Journal of the European Optical Society-Rapid Publications
2023, 19(1): 2023014
1 西安理工大学 自动化与信息工程学院, 西安 710048
2 西安理工大学 陕西省智能协同网络军民共建重点实验室, 西安 710126
3 中国电子科技集团有限公司第十一研究所 固体激光重点实验室, 北京 100015
为了研究激光散斑对目标探测的影响, 采用物理光学近似方法, 进行了平面波激光照射在粗糙球体和圆锥体目标时对散射场统计特性的理论分析, 推导了粗糙体目标散射场量的二阶统计矩,数值计算了粗糙球体和锥体的非相干散射分量比随粗糙度、散射角、半径及目标材料的变化情况。结果表明, 散射角的变化对粗糙球体散射非相干分量比有影响, 粗糙度变大, 目标的非相干分量占总散射分量的比重越大; 随着粗糙球体半径变小, 球体表面越粗糙; 圆锥体目标散射非相干分量比的峰值位置随粗糙度变化而不同, 但其峰值均位于镜反射方向上; 金属类材料比非金属抛光铝材料的非相干分量比小, 且半径变化与非相干分量比成正比。该研究结果可为更复杂目标激光散射特性和激光散斑探测、识别的研究提供一定的参考价值。
散射 粗糙面散射 粗糙体目标 非相干分量比 散射强度 scatterings rough surface scattering rough target incoherent component ratio scattering intensity
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院大学 材料与光电研究中心，北京 100049
受空间所限，激光通信地面测试平台与被测终端之间的距离远小于实际通信距离，导致测试平台光机等器件产生的后向散射杂光进入被测终端，从而严重影响被测终端的测试性能。从被测终端与测试平台间的光学干扰问题出发，本文研究了被测终端与测试平台间隔离度的关系，分别设计了卡塞格林和离轴三反光学天线，并根据杂散光传输模型，采用杂散光分析软件分析了光学天线结构形式及表面粗糙度两方面对隔离度的影响。分析结果表明，采用离轴三反光学天线时的隔离度明显高于卡塞格林光学天线，且隔离度随着光学表面粗糙度的减小而增大，当光学表面的粗糙度达到0.892 nm时，隔离度可达?86.22 dB。最后，推导了ABg模型与Harvey模型参数间的关系，并根据粗糙度与TIS计算公式，得出粗糙度分别为0.7 nm及0.5 nm的ABg模型参数，它们的终端间隔离度分别为?94.39 dB和?97.3 dB，实现了?90 dB的隔离度指标。
激光通信 光学天线 隔离度 表面散射模型 杂散光 laser communication optical antenna isolation surface scattering model stray light
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为了评价软X射线掠入射望远镜的成像质量, 提出了一种利用ZEMAX和MATLAB相结合的像质评价方法。根据这种方法编写的像质评价程序不仅考虑了孔径衍射、几何像差和装调误差等因素对成像质量的影响, 而且加入了望远镜面形误差和X射线散射效应的影响。利用勒让德-傅里叶多项式和用户自定义表面, 在ZEMAX中建立带有面形误差的筒状反射镜表面模型, 实现对真实面形的掠入射反射镜的仿真; 根据Harvey-Shack散射理论建立了ZEMAX中的BSDF散射模型, 实现对X射线散射的仿真。搭建X射线有限远成像实验装置, 对像质评价程序进行了验证。实验结果和仿真结果对比表明: 实验光斑和仿真光斑的光强分布基本一致, 以实验结果为基准, 仿真光斑的半高全宽横向和纵向的相对误差分别为14.7%和11.3%。说明像质评价程序的仿真结果基本符合真实情况, 对掠入射光学系统的设计和加工具有一定的指导意义。
X射线光学 掠入射望远镜 像质评价 表面散射 面形误差 X-ray optics grazing incidence telescope image quality surface scattering figure errors 光学 精密工程
2019, 27(10): 2136
中国工程物理研究院电子工程研究所, 四川 绵阳 621999
建立了包含镜面反射分量的毫米波全息成像中的部分发育散斑模型。将部分发育的散斑模型与毫米波全息成像的卷积过程相结合,推导了等效散射中心个数,建立了散斑对比度与高斯粗糙面均方根高度、相关长度和成像分辨率的关系。基于近场物理光学法,对随机粗糙面的毫米波全息散斑图样进行了蒙特卡罗仿真和散斑对比度分析。结果表明,当等效散射中心个数较少时,该模型与随机积分法及仿真所估计的散斑对比度一致,优于传统模型的估计结果。
全息 毫米波全息成像 部分发育散斑 粗糙面散射 镜面反射
1 天津大学 精密仪器与光电子工程学院 激光与光电子研究所, 天津 300072
2 光电信息技术教育部重点实验室(天津大学), 天津 300072
3 青岛科技大学 数理学院, 山东 青岛 266100
根据基尔霍夫近似理论分析了金属粗糙表面在太赫兹频段的散射规律及影响因素, 通过加工不同粗糙度的金属铝板样品, 基于远红外激光器搭建的单频点散射特性测量系统及远红外傅里叶光谱仪(FTIR)的宽带反射率测量系统, 对粗糙铝板的散射规律进行了实验测量与验证, 发现实验测量结果与基尔霍夫近似计算结果具有良好的一致性, 证明了峰值散射系数与粗糙度和频率的负相关性, 以及与入射角度的正相关性。分析了近似光滑和较大粗糙度两种极限情况下的散射特性, 给出了基尔霍夫近似理论在太赫兹频段的适用条件。相关结论为复杂目标散射特性的理论计算奠定了基础, 对太赫兹频段雷达相关理论和技术的发展具有重要意义。
表面散射特性 太赫兹波 粗糙度 金属平板 surface scattering characteristic terahertz wave roughness metal plate 红外与激光工程
2018, 47(12): 1217004
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京100049
针对天文望远镜光学系统中镜面散射对成像质量的影响, 提出了一种基于反射镜表面功率谱密度计算离轴三反成像系统像面环围能量比的方法。基于Harvey-Shack散射模型, 提出了像面光强分布与反射镜表面功率谱密度的关系, 描述了离轴三反系统中的散射在各个反射面的传播过程, 并给出了像面光强分布与反射镜表面有效均方根相对于工作波长的比值的关系。通过多手段测量获取1.5 m口径加工样件在不同空间频率频段内的表面功率谱密度, 利用k-相关模型拟合其全频段一维功率谱密度和二维功率谱密度, 加工样件的面形精度有效均方根(在1/D到1/λ范围内)为13.7 nm。对比了离轴三反系统在不同工作波长下像面环围能量比的分布, 给出在我国某大型空间天文望远镜在考虑散射情况下的加工要求, 镜面的有效均方根为10.3 nm, 其中低频误差均方根小于8 nm。
表面光学 表面散射 离轴三反系统 功率谱密度 双向散射分布 环围能量比 激光与光电子学进展
2018, 55(9): 092901
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室, 吉林 长春 130033
针对烧结碳化硅在制作过程中形成的孔洞缺陷会造成严重的反射镜表面散射问题, 提出了用等离子体辅助沉积技术镀制硅表面改性层来消除表面缺陷以降低反射镜的表面散射。应用扫描电子显微镜测量了未改性的烧结碳化硅试片, 并分析了表面散射成因。搭建了总积分散射仪, 测试了改性前后的烧结碳化硅试片及抛光良好的K9玻璃试片的总积分散射。结果显示: 烧结碳化硅试片改性前后的总积分散射分别为3.92%和1.42%, K9玻璃的总积分散射为1.36%。使用原子力显微镜测试了烧结碳化硅试片改性抛光后表面和K9试片表面的均方根粗糙度, 结果分别为1.63 nm和1.04 nm, 证明了改性后的烧结碳化硅试片消除了表面缺陷, 显著地降低了表面散射, 表面光学性能与抛光良好的K9玻璃接近。
表面改性 烧结碳化硅 反射镜 表面散射 总积分散射 等离子辅助沉积 surface modification sintered silicon carbide mirror surface scattering total integrated scattering plasma ion assisted deposition 光学 精密工程
2014, 22(12): 3224
烟台大学光电信息科学技术学院, 山东 烟台 264005
论述了一种表面散射特性实时光学检测的光纤传感器。采用650 nm、1 310 nm和1 550 nm激光作为光源, 对不同表面粗糙度的样品进行了测试和分析。实验结果表明, 采用多波长的复合光源激光光纤传感器能有效地减小测量的非系统误差, 从而极大地提高了其测量精度; 此外, 波长越短, 粗糙度越大, 散射越复杂。
表面散射 光学检测 实时 复合光源 光纤传感器 surface scattering optical detection real time composite light source fiber sensor
