1 莆田学院机电与信息工程学院,福建 莆田 351100
2 福建省激光精密加工工程技术研究中心,福建 莆田 351100
提出了一种基于变焦原理和初级像差理论的机械补偿式的长焦距离轴全反射式三档变焦光学系统设计方法。首先,建立了同轴四反射镜变焦光学系统初始结构求解模型,基于该模型,应用开发的自适应变异概率遗传算法对其进行求解,得到了同轴系统部分初始结构参数;然后,将其进行适当偏心和倾斜来消除共轴系统中心遮拦问题,结合光学设计软件Zemax对离轴系统像差进行校正。最后,应用上述设计方法,系统中各块反射镜光学面采用非球面设计,设计出高成像质量的焦距为300、600、900 mm的三档变焦离轴四反射镜光学系统。结果表明,该方法为离轴全反射式三档变焦光学系统设计提供了一种有效手段,能设计出满足实际应用需求的系统。
几何光学 光学系统设计 四反射镜 三档变焦 机械补偿 长焦距 激光与光电子学进展
2023, 60(19): 1908001
红外与激光工程
2023, 52(3): 20220532
1 莆田学院机电与信息工程学院, 福建 莆田 351100
2 福建省激光精密加工工程技术研究中心, 福建 莆田 351100
反射光学系统具有无色差、结构紧凑、体积小和成像性能优良等特点, 被广泛应用于空间遥感探测领域。首先, 基于同轴四反光学系统像差表达式, 构建了以系统均方根波像差为条件的成像评价目标函数; 进而应用开发的自适应变异概率遗传算法求解该目标函数, 得到一组合适的同轴四反光学系统初始结构参数解; 随后, 在上述系统结构基础上对其进行适当离轴消除系统中心遮拦, 并将四块光学面设定为偶次非球面, 应用光学设计软件 Zemax 对其进行像差优化。最终设计了一款焦距为 800 mm、工作波段为 0.4~1.6 μm、全视场角为 1°、入瞳直径为 80 mm 的成像质量良好的离轴四反光学系统。结果表明, 该方法为设计此类离轴光学系统提供了一种有效手段, 具有很强的实际应用价值。
几何光学 离轴四反 初始结构 改进遗传算法 双波段 geometrical optics off-axis four-mirror reflective initial structure improved genetic algorithm dual-band
1 集美大学海洋装备与机械工程学院,福建 厦门 361021
2 福建夜光达科技股份有限公司,福建 泉州 362200
微棱镜型反光膜存在着有效入射角范围小(广角性)和不同方位角的逆反射效率相差大(方向各异性)的问题,解决上述问题较为简单的方法是改变角锥(CCR)单元倾斜角和采用拼接结构。基于几何光学原理,使用光线追踪软件计算了不同结构的CCR阵列。基于微棱镜反光膜的逆反射原理,分析了CCR单元的倾斜角度、入射光角度和拼接结构对逆反射效率的影响。结果表明,当使用倾斜CCR阵列时,方位角0°方向的逆反射效率提高了20个百分点以上。采用不同倾斜角拼接结构后,不同方向逆反射效率的最大偏差降低了10%以上。将CCR阵列倾斜角的仿真结果与反光膜的亮度测试结果进行对比,发现逆反射效率的变化趋势一致,证实了仿真模型的可靠性。以上研究结果可用于微棱镜反光膜的结构设计和优化。
几何光学 角锥阵列 逆反射效率 倾斜角 拼接结构 激光与光电子学进展
2022, 59(13): 1308002
南京晓庄学院电子工程学院,江苏 南京 211171
首先指出凸透镜的实际厚度是一个不容被忽视的问题,然后逐步推导出空气中双凸对称厚透镜在傍轴情形下的物像关系及焦距,通过举例和作图,揭示出厚、薄两种凸透镜理论在焦距和像距上的具体差异,并分析出其中的一些规律性。通过取近似,推导出较薄凸透镜焦距及理想薄凸透镜焦距误差的近似表达式,指出后者与焦距近似无关。此外还推得“物焦比”大于2时较薄凸透镜像距和理想薄凸透镜像距的近似表达式,发现其间误差也与焦距无关,而仅与透镜的厚度、折射率及“物焦比”有关。最后指出,取“物焦比”大于2的原因在于物距处在2倍焦距以内时不便于取近似,而将凸透镜分为厚凸透镜、理想薄凸透镜、较薄凸透镜这3种类别的原因则在于严格区分。
几何光学 双凸对称厚透镜 理想薄凸透镜 较薄凸透镜 误差 激光与光电子学进展
2022, 59(13): 1308001
宋强 1,2,3孙晓兵 1,3,4,*刘晓 1,3,4提汝芳 1,3黄红莲 1,3,4
1 中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所, 安徽 合肥 230031
2 中国科学技术大学, 安徽 合肥 230026
3 中国科学院通用光学定标与表征技术重点实验室, 安徽 合肥 230031
4 合肥市农业行业首席专家工作室, 安徽 合肥230031
利用光学成像仪器进行水下资源勘测时,成像质量常因水中气泡干扰而降低。研究水中气泡环境辐射传输特性并分析其对光学仪器成像的干扰,对提升水下成像抗干扰能力具有重要指导意义。首先构建水中单气泡成像环境,模拟光在单气泡传输过程中辐射强度和偏振状态的变化趋势,得出单气泡界面处的传输相位函数;在此基础上,通过增加气泡数量,模拟水中多气泡成像环境下光的辐射强度和偏振状态随气泡分布的变化情况;最后基于几何光学近似理论进行蒙特卡洛模拟,仿真并得出不同气泡半径大小、不同光线传输路径尺度对光线在气泡群中前向和后向传输的影响。气泡理论分析、仿真计算和实测实验表明:光在气泡界面处产生的偏振态变化与观测几何具有强关联,当入射角较小时,光的穿透性较强,辐射强度衰减缓慢;随着传输距离路径增加,前向传输和后向传输的偏振度呈现相反的变化趋势;理论、仿真和实验结果三者基本保持一致。该研究可以为水下复杂环境目标偏振成像领域提供一定的参考。
几何光学 单气泡 多气泡 蒙特卡洛 偏振度 光学学报
2022, 42(12): 1210001
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对自由曲面光学系统设计中初始结构难以取得的问题,提出了一种自由曲面光学系统的直接构建方法。将理想物像关系和费马原理作为单模块迭代的判据,利用逐点光线追迹的方式可直接从平面无光焦度光学系统中获得具有良好优化潜力的初始结构。在迭代的不同阶段,可通过采样疏密不同的特征光线的方式加快初始结构求解速度。在得到初始光学结构后,可利用光学设计软件进一步优化像质。利用所提方法实现了空间尺寸小于40 mm×70 mm×60 mm的紧凑型150 mm焦距离轴两反光学系统的设计,验证了所提方法在自由曲面光学系统设计中的可行性。
光学设计 几何光学 离轴两反系统 光学自由曲面 光学学报
2021, 41(24): 2422002
杭州电子科技大学电子信息学院, 浙江省装备电子研究重点实验室, 浙江 杭州 310018
红外增强是提升红外成像质量、凸显目标信息的有效手段之一。利用在局部窗口内计算视觉显著图来帮助实现红外图像的增强。利用局部空间区域内的中心-周围像素灰度加权距离法衡量显著性,由此获取显著图来表征模拟人眼以赋予不同像素区域的权重; 结合视觉显著图的提取,在此基础上实现红外图像的增强; 选取几组红外图像进行实验,结合主客观评价对多种增强方法进行评估。实验结果表明,与其他方法相比,所提方法的结果具有更好地视觉效果,能凸显图像细节即目标信息,能有效实现目标与背景的对比增强。
几何光学(成像光学) 图像增强 视觉显著 目标区域 图像质量评价 geometrical optics (imaging optics) image enhancement visual saliency target area image quality evaluation