1 长春理工大学光电工程学院，吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心，吉林 长春 130022
3 光电测控与光信息传输技术教育部重点实验室，吉林 长春 130022
4 吉林大学仪器科学与电气工程学院，吉林 长春 130012
5 空军航空大学，吉林 长春 130022
6 长春市琬逸科技应用有限公司，吉林 长春 130022
针对目前“扫描式”反射光场测量系统依赖复杂机械装置、测量效率低以及“照相式”反射光场测量系统测量角度范围小等问题，提出一种基于超广角成像的粗糙面反射光场测量方法。分析了粗糙面反射光场测量原理，优化设计了折反射超广角成像光学系统，实现了天顶角范围0~54°的周视反射光场测量；校准了反射光场测量系统的空间关系与光场强度，校准后反射光场测量最大相对误差为4.12%，周视反射光场测量平均相对误差最大为2.06%；通过模拟Labsphere Permaflect-80漫反射板、WhiteOptics-DF60漫反射板和美国ACA镜面铝板3种粗糙面的反射光场测量结果，证明了所提表面反射光场测量方法的可行性，丰富了粗糙表面反射光场的测量手段，为对材料表面光学反射特性与损伤等的测量、模拟与重构提供了研究基础与技术支撑。
双向反射分布函数 超广角成像 反射光场 粗糙表面 光学学报
2023, 43(11): 1112002
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室，上海 201800
2 国科大杭州高等研究院，浙江 杭州 310024
3 中国科学院大学，北京 100049
傅里叶变换关联成像通常采用透射式赝热光源，但透射产生散斑的纵向尺寸过大限制了成像纵向分辨率且透射式赝热光的光通量较低，这对实现三维傅里叶变换关联成像造成了阻碍。为解决这一问题，理论推导了反射式赝热光源散斑场的光强涨落关联函数，给出了散射屏放置在不同空间位置和倾斜角度时的纵向散斑尺寸。同时，进行了基于统计光学的数值模拟，模拟结果与理论结果吻合。结果表明，通过减小散射角和增大散射屏方位角等方法可以有效降低观察点处的纵向散斑尺寸，从而提高纵向成像分辨率。
成像系统 散斑场 赝热光 粗糙表面 关联成像
1 长春中国光学科学技术馆, 长春
2 北京跟踪与通信技术研究所, 北京
针对PG模型预测粗糙表面材质偏振特性存在较大误差的问题, 通过分析镜面微元组合的模型基础假设、建模过程、反演拟合结果, 定位了PG模型误差存在的原因; 提出了随机粗糙表面为半球形微元组合的新假设, 基于表面精细结构下倏逝波存在的物理事实, 忽略穿透深度和相位延迟的影响, 建立了等效球形粒子组合的新构型; 在此基础上, 构建了新的表面反射模型, 细化了材质内部的散射模型, 形成了新的pBRDF模型; 在实验室全谱光源照射下, 获得了材质的多光谱偏振二向反射数据, 进行了PG与新模型的性能对比分析。结果表明, 新模型强度维和偏振维的误差约为PG模型的35%和59%。
偏振双向反射分布函数 随机粗糙表面 倏逝波 参数反演 polarimatric bidirectional reflectance distributio random rough surface evanescent wave parameters inversion
为分析粗糙表面参数对激光散斑统计特性的影响规律,需研究激光散斑与目标材料间的映射关系。通过计算机模拟了具有不同均方根粗糙度、相关长度、偏度、峰度特性组合的随机粗糙表面,并基于激光散斑场的理论模型对由这些随机表面生成的激光散斑图案进行了分析与处理。结果表明,各项表面特征参数均会对激光散斑场统计特性产生影响,且不同表面参数组合下形成的激光散斑场表现出了极大的特异性。因此,所研究的激光散斑统计特征或可作为区分材料表面的有效信息在未来加以利用。
统计光学 激光散斑 粗糙表面 计算机仿真 材料识别 光学学报
2021, 41(11): 1103001
1 长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
2 长春理工大学 空间光电技术研究所，吉林 长春 130022
红外偏振成像可突显目标、识别真伪，准确掌握目标红外辐射偏振特性可有效提高目标的探测识别概率。针对现有目标红外辐射偏振特性模型未考虑粗糙表面导致的遮蔽效应的问题，本文基于微面元双向反射分布函数模型，利用穆勒矩阵构建出含有遮蔽函数的粗糙表面红外辐射偏振度的斯托克斯解析模型。针对光线表面粗糙度和入射角对金属和非金属目标红外辐射偏振度的影响进行定量分析。分析结果表明：无论是金属还是非金属，其红外自发辐射偏振度都随粗糙度的增大而减小，非金属自发辐射偏振度下降的幅度大于金属偏振度；当粗糙度及温度相同时，金属的红外辐射偏振度始终大于非金属；红外辐射偏振度先随入射角的增加而增加，而后在特定入射角下达到峰值，超过一定入射角后，偏振度大幅下降，金属和非金属的红外辐射偏振度间的差异在一定入射角度范围内将达到最大，这有助于区分金属与非金属。最后，利用长波红外微偏振成像系统和近红外偏振成像系统进行不同场景目标的图像采集，获取目标的红外辐射偏振特性，实验结果与理论分析结果基本吻合。本文对研究目标偏振特性、优化设计红外偏振系统以及后续偏振图像处理均具有重要意义。
红外偏振 粗糙表面 遮蔽函数 偏振度 辐射 infrared polarization rough surface shadowing function polarization degree radiation
1 安徽建筑大学机械与电气工程学院, 安徽 合肥 230601
2 安徽建筑大学建筑机械故障诊断与预警重点实验室, 安徽 合肥 230601
理想光滑表面具有很强的偏振特性,但实际表面通常较为粗糙,造成遮蔽效应明显和漫反射严重。为准确表征粗糙表面偏振特性,基于微面元模型,综合考虑遮蔽效应和漫反射情况下,建立一种改进的六参量偏振双向反射分布函数(pBRDF)模型,在此基础上推导出粗糙表面光学反射偏振度表达式。对铝和黑漆材料的偏振度进行模型仿真,反演其复折射率。结果表明,所提模型仿真值与实验测量值更加吻合,复折射率反演精度更高。对45#钢材料开展pBRDF测量,分析了不同入射角、反射角、粗糙度下偏振度的分布。实验结果表明,六参量模型仿真值与实验测量值均能较好地吻合,通过对漫反射部分建模增加了模型的准确性。该研究可为粗糙表面的探测和分析提供理论基础和方法。
散射 偏振 双向反射分布函数 参数反演 粗糙表面 激光与光电子学进展
2020, 57(9): 092901
西安工业大学光电工程学院，陕西 西安 710021
基于角谱衍射理论，利用Johnson 传递系统数值模拟非高斯粗糙面，研究了拉盖尔-高斯涡旋光束通过随机非高斯粗糙表面的场分布特性。在分析了非高斯粗糙面方向自相关长度、峰度、偏斜以及均方根粗糙度对涡旋光束场分布影响的基础上，研究了涡旋光束通过随机粗糙表面后光束光强分布变化时的均方根粗糙度取值范围，并通过实验，将实验数据与仿真结果进行了对比分析。结果表明：当非高斯粗糙面方向相关长度为20 mm，偏斜为0.001，峰度为6，均方根粗糙度大于0.12 mm 时，拉盖尔-高斯光束透过随机表面的光强分布不再保持空心分布，对应的相位奇点消失。
涡旋光束 非高斯随机粗糙表面 角谱衍射理论 场分布 vortex beam non-Gaussian random roughness surface angular-spectrum representation field distribution
1 中国科学院上海光学精密机械研究所量子光学重点实验室, 上海 201800
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 宇航智能控制技术国家级重点实验室, 北京 100089
设计一种针对粗糙表面目标的基于稀疏限制的鬼成像(GISC)实验装置,研究并分析接收系统的数值孔径与粗糙目标尺寸对GISC成像性能的影响。结果表明,粗糙目标的GISC成像质量与接收系统的数值孔径和目标尺寸均呈正相关。本研究可以为GISC装置中接收系统的光路设计提供重要参考。
遥感 图像重建 粗糙表面 统计光学
1 西安现代控制技术研究所, 陕西 西安 710065
2 上海电力大学电子信息工程学院, 上海 200090
3 西安工业大学电子信息工程学院, 陕西 西安 710021
基于基尔霍夫近似方法,构建了穆勒矩阵全角度分布的数值计算模型,实现了对于金属和电介质随机粗糙表面穆勒矩阵的计算。结果表明,金属和电介质表面穆勒矩阵分布具有明显的差异,金属表面穆勒矩阵中6个元素不为0,电介质表面穆勒矩阵中6个元素均接近于0,并且该差异与材料粗糙程度无关。这种差异可以作为区分金属和电介质的判据,为探索新型的目标探测与识别手段提供了思路。
表面光学 光散射 随机粗糙表面 穆勒矩阵 基尔霍夫近似 激光与光电子学进展
2019, 56(14): 142401
1 中国科学院自适应光学重点实验室, 四川 成都 610209
2 中国科学院光电技术研究所, 四川 成都 610209
3 中国科学院大学, 北京 100049
建立了基于目标粗糙特性的主动照明信标数值计算模型,分析了目标粗糙特性对散射回波光强均匀性和波前均方根的影响,对比了不同目标粗糙程度下主动照明信标探测波前和点光源信标探测结果的差异,以及自适应光学系统校正效果。研究结果表明:随着目标表面粗糙程度减弱,散射回波的波前均方根变大,主动照明信标和点光源信标探测波前结果差异增大,自适应光学系统校正效果下降。此外,增多照明光路数可以抑制弱粗糙表面时上行链路湍流对主动照明信标波前探测的影响。
自适应光学 波前探测 主动照明信标 粗糙表面
