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
在天文大视场高分辨率成像领域，对地表层自适应光学(Ground-Layer Adaptive Optics, GLAO)系统作出准确的理论评估是系统设计与优化的关键前提。在GLAO技术中，地表层湍流特性与导引星布局是影响系统性能的重要因素。针对不同湍流环境与导引星位置分布，基于空间频谱滤波理论和蒙特卡洛方法对GLAO系统进行理论分析与性能评价工作，从而验证两种方法的正确性与准确性。结果表明，两种模型得到的系统校正规律呈现明显的一致性。在一定条件下，两种方法数值模拟偏差最大不超过4.6%。空间频谱滤波原理将系统简化为线性模型，其计算速度更快，便于发现系统特征规律，但是该方法适用于导引星呈对称布局的系统性能分析，不适用于非对称排布的任意导星布局解析分析。蒙特卡洛方法结合真实系统的物理过程进行实时模拟，其导引星布局可以任意设置，对于系统实际运行状态的预测更加准确。在两种分析方法对比的基础上，进一步针对系统布局给出了初步的优化结果，相关工作对未来GLAO系统的设计与优化具有指导意义。
地表层自适应光学 空间频谱滤波理论 蒙特卡洛 导引星 ground-layer adaptive optics spatial frequency spectrum filtering theory Monte Carlo guide stars 红外与激光工程
2022, 51(7): 20210744
电子工程学院 脉冲功率激光技术国家重点实验室 ，合肥 230037
以惠更斯-菲涅尔衍射公式为基础，推导了猫眼系统的回波光场，并以二维光栅作为凝视光电成像系统的焦平面器件进行理论计算和实验验证.分析了光阑孔径对回波图像与焦平面器件调制之间相关性及空间截止频率对猫眼回波的影响.结果表明：随着光阑孔径的减小，回波图像信息减少，与焦平面上光斑的相关性降低；随着光阑孔径的增大，光栅干涉形成的次级光斑逐渐出现在回波图像中，回波图像也由于各级光斑的干涉变得复杂，对应的空间频谱变化反映了各级光斑的交叠情况.该研究对利用回波特征用于凝视光电成像侦察设备实施激光主动探测具有实际应用价值.
激光技术 猫眼回波 波动光学 二维光栅 光阑孔径 空间频谱 Laser technology Cat′s eye echo-wave Wave optics Two-dimensional grating Aperture size Spatial frequency
利用强度相干方法对高轨目标成像时存在着频谱模值测量信噪比低和相位恢复复杂等问题，严重影响成像质量。为获得高轨目标的清晰图像，根据高轨卫星空间频谱分布先验信息、图像分布先验信息和强度相干测量噪声分布特点，探讨了利用先验信息对强度相干成像的频谱模值估计方法和相位恢复方法进行改进与优化，并设计了室内实验验证了改进算法的有效性。室内实验表明，通过对频谱模值估计方法和相位恢复算法的改进能够显著提高强度相干成像质量，减小恢复结果中的噪声斑点与歧义图像。
成像系统 强度相干成像 相位恢复 先验信息 极大似然估计 空间频谱
1 浙江宁波永新光学股份有限公司, 宁波 315040
2 浙江大学 光电信息工程学系, 杭州 310017
3 浙江师范大学 信息光学研究所, 金华 321004
为了实现实时数字全息显微观测,采用数字全息并行算法达到实时再现要求。首先根据设计的数字全息显微镜光路结构,充分利用图像传感器空间带宽积,通过实时记录方案采集全息图、物光强及参考光强以消除0级;然后通过设计的并行再现软件,将采集到的图像均匀分割为4个区域,交由4个进程分别同时计算,每个进程实现对应区域的全息图再现后,将每个再现结果再均分成4个区域,并将对应区域重新组合成4组数据交由4个进程分别同时进行叠加,计算相位及强度;最后将4个进程计算得到的相位、强度重新拼接成完整的再现强度及相位图。结果表明,系统的数据采集和图像再现速度达到了18frame/s。该设计系统实现了实时全息显微观测。
全息 全息测量 数字再现 空间频谱分析 holography holographic measurement digital reconstruction spatial spectrum analysis
1 装甲兵工程学院 控制工程系, 北京 100072
2 装甲兵工程学院 信息工程系, 北京 100072
提出了一种基于基元全息图频谱分析的计算全息参考光角度选择方法.通过分析基元全息图的空间频谱成分, 导出全息图正确再现需要满足的约束条件;求解了基于空间光调制器的计算全息再现系统的参考光角度取值范围;用N-LUT算法计算了成像距离为1 000 mm时, 一幅22.5 mm×26.1 mm的二维图像取不同参考光角度时的全息图, 并进行了数字再现和光学再现实验.结果表明：参考光角度在0.893 8°到1.398 0°之间选择可以获得质量良好的再现像;参考光角度小于0.893 8°时, 再现像与共轭像不能完全分离, 参考光角度大于1.398 0°时, 全息图频率过高会造成欠采样, 导致再现像与下一级共轭像互相交叠.实验现象与理论分析一致, 验证了参考光夹角选择方法的正确性.
计算全息 参考光角度 空间频谱 共轭像 空间光调制器 Computer-generated holograms Angle of reference beam Spatial frequency Conjugate image Spatial light modulator
1 北京跟踪与通信技术研究所, 北京 100094
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
设计了一种新的强度相干成像室内实验方法, 以简化现有强度相干实验过程, 获取接近实际观测的测量数据。首先, 分析了强度相干成像原理及影响成像质量的因素;介绍了现有强度相干成像实验方法并分析其存在的不足。然后, 利用赝热光源和CCD设计了一种新的强度相干成像方法;介绍了利用此种方法模拟强度相干成像的原理及特点。最后, 进行了室内强度相干成像实验, 验证了提出方法的可行性。实验结果表明: 利用提出的实验方法能够较好地测量目标的空间功率谱, 测量噪声主要分布在高频部分;当测量信噪比大于20时, 利用相位恢复方法可恢复获得较好的目标光强分布图像。实验显示, 提出的成像方法能够较好地模拟强度相干成像, 实验中能够较为方便地调节光强随机涨落并观测基线参数, 实现对小角直径目标的有效成像。
合成孔径成像 强度相干成像 空间频谱 相位恢复 赝热光 synthetic aperture imaging intensity correlation imaging spatial frequency spectrum phase retrieval pseudothermal light
福建师范大学光电与信息工程学院激光与光电子技术研究所, 光子技术福建省重点实验室 医学光电科学与技术教育部重点实验室,福建 福州 350007
基于Marcatili近似理论，给出了一种矩形光波导Ey00模模场的近似表达，根据平面波角谱理论，推导出了矩形光波导Ey00模衍射场的空间频谱表达式，探讨了其x轴方向上的空间频谱分布特性，分析了矩形光波导Ey00模在x，y轴方向上的光传输因子M2，并采用方形桶桶中功率对矩形波导Ey00模空间频率半宽度进行数值分析，得到了由方形桶桶中功率定义的矩形光波导Ey00模空间频率半宽度随归一化频率变化的关系曲线。
物理光学 衍射 矩形光波导 空间频谱 光束传输因子 桶中功率
1 清华大学医学院生物医学工程系， 北京 100084
2 国家工程中心北京生物芯片研究中心， 北京 102206
采用傅里叶光学分析方法，在空间频域对钻石各表面反射光进行分析，从理论上推导了空间频谱图与钻石表面结构空间特征的对应关系式。并搭建钻石反射光空间频谱检测分析系统实验平台，检测了真实钻石样品，并获取代表钻石身份信息的多面体几何结构特征频谱图，分析了空间频谱图与钻石表面结构特征差异的一一对应关系和空间平移旋转不变性。
傅里叶光学 钻石鉴定 共轴对称光路 空间频谱分析 激光与光电子学进展
2011, 48(6): 060701
中国科学技术大学物理系, 安徽 合肥 230026
为改善衍射光学器件(DOE)在均匀照明系统中的应用性能,提高元件优化设计的效率,提出了衍射光学器件的空间频域优化设计方法。基于对均匀照明系统焦面输出光强分布的空间频谱分析,从空间频域的角度,指出通过控制焦斑中的低频调制成分,能够进一步提高实际均匀照明的效果。在此基础上,该优化方法通过在频域内设定优化目标和费用函数,来确定优化方向,可以有效减少输出光强分布中的低频调制成分。应用该方法所得一维多台阶相位型衍射光学器件的设计结果表明,在考虑空间20 μm匀滑后,焦斑主瓣光强均方差为3.3%。与已有空间域优化方法的对比表明,在元件实用效果方面,空间频域优化设计方法优于空域方法。
激光物理 衍射光学 均匀照明 束匀滑 空间频谱
以空间频谱描述图像结构,以图像灰度起伏的方均根值与噪声方均根值之比表示信噪比,系统分析了目标图像结构和噪声对相关哈特曼夏克波前传感精度的影响。理论分析表明,两个子图像的相关函数峰值位置的亚像元插值误差等于其各离散频率成分的相关函数峰值位置插值误差的加权平均;相同功率下,低频成分的加权系数较小,高频成分的加权系数与亚像元偏移量有关。一维窄带图像的统计仿真表明,无噪声时,低频成分和接近奈奎斯特频率成分的误差较大,中频成分的误差较小;有噪声时,噪声对高频成分的影响低于低频成分。对典型频谱的32×32图像仿真表明,图像起伏信噪比为2∶1时,子图像平移量计算误差约0.03～0.11像元,与无噪声时相比增加不大。
自适应光学 相关哈特曼夏克波前传感 空间频谱 图像结构 噪声
