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 清华大学精密仪器系光子测控技术教育部重点实验室，北京 100084
3 北京控制工程研究所，北京 100190
散射介质会破坏光束的光波前分布和能量输送，限制了强散射环境下光镊、荧光成像、光通信等技术的应用。波前整形技术通过优化入射波前，重新规划散射介质内的光传输路径，实现了在散射介质内部或透过散射介质的光聚焦，从而克服了散射介质的限制，将散射光重新利用，使得散射介质成为一个类似透镜的光学元件，也被称为“浑浊透镜”。目前主要有依赖反馈调控的迭代优化方法、建立输入-输出联系的传输矩阵方法和利用光路可逆原理的相位共轭方法三类技术路线。本文从技术原理、应用背景以及重要进展等方面梳理了基于波前整形技术的散射介质聚焦的研究进展，并对比展望了三类技术在应用中的发展前景。
散射介质 波前整形 光聚焦 迭代优化 传输矩阵 光学相位共轭 光学学报
2024, 44(10): 1026013
1 大连交通大学 机械工程学院，辽宁 大连 6028
2 大连市先进机器人感知与控制技术创新中心，辽宁 大连 11608
水下环境获取图像存在对比度下降、清晰度降低、信息衰减等问题。传统方法是对整幅图像的偏振信息进行估计处理，水下图像中目标具有复杂的偏振特性，导致某些目标区域的复原效果欠佳，发生退化。本文提出了一种水下降质图像偏振参数分区优化复原方法。首先经分块对比度加强和引导滤波对两幅偏振正交图像处理后提取高低偏物体的连通域，根据偏振度图像各像素点的值进行分区，优化了对低、高偏振度目标物区域的提取过程；其次分别估计各目标物的目标光偏振度，解决了传统方法中全局估计中复杂目标的错误估计问题；最后对后向散射光偏振度图像进行迭代优化，得到最优选区。实验表明：本文实验结果的主观视觉质量提升显著，前两组实验在低浑浊度下对比原始光强图，客观评价指标EME值提升平均达554%，对比度则平均提升528%，第三组实验在低照度高浑浊度环境下对比原始光强图，EME值提升达379%，对比度则提升956%。三组实验自然图像质量评价指标NIQE值表现良好，图像更加自然。本文的方法较传统方法能有效地复原水下浑浊图像，增加图像对比度，削弱信息衰减，实现更好的图像清晰化效果。
信息衰减 对比度加强 分区优化 迭代优化 图像清晰化 information attenuation increased contrast partition optimization iterative optimization image sharpening 光学 精密工程
2023, 31(20): 3010
1 国科大杭州高等研究院物理与光电工程学院，浙江 杭州 310024
2 中国科学院上海光学精密机械研究所信息光学与光电技术实验室，上海 201800
深度学习已逐步深入多个光学技术领域，推动了诸多光学技术的发展。同时，航空航天观测、AR/VR消费电子、手机摄影、超短焦投影仪等产业快速发展，对光学系统提出了更高、更复杂的设计需求。这些光学系统对性能的高要求，使得光学元件面形的复杂度相应提高。因此，传统的设计方法面临巨大挑战。深度学习具有强大的运算、数据演化和非线性逆问题求解能力，为更复杂的光学系统设计优化求解提供了新思路、新方法。随着对光学系统性能的要求越来越高，自由曲面、超构表面等新型光学元件的需求大大增加，为光学系统提供了更大的发展潜力和想象空间。早期的迭代优化和直接求解的光学设计方法不再适用，光学设计方法向更高难度的数学求解方向发展。得益于人工智能技术软硬件的发展，光学系统设计方法也跨入新的时代——人工智能光学设计时代。从传统迭代优化到人工智能，光学系统设计方法并不能割裂地突跃式发展。本文系统性地论述了光学系统设计方法的内在路径联系与发展逻辑，并对未来的发展方向进行了展望。
光学设计 人工智能 深度学习 迭代优化 中国激光
2023, 50(11): 1101012
1 合肥工业大学特种显示与成像技术安徽省技术创新中心，特种显示技术国家工程实验室，光电技术研究院，安徽 合肥 230009
2 合肥工业大学仪器科学与光电工程学院，安徽 合肥 230009
3 安徽芯瑞达科技股份有限公司，安徽 合肥 230601
提出了一种单个透镜目标面照度分布的设计方法，根据背光中Mini-LED光源数量及阵列排布间距、混光距离、目标面光斑半径等信息，建立了背光目标面上照度值与单颗透镜目标面照度分布之间的映射矩阵，通过LSQLIN迭代优化算法得到单颗透镜目标面照度分布，最后采用光源-目标面能量映射法设计双自由曲面透镜。以Mini-LED阵列排布间距为、混光距离为且目标面光斑半径为为例进行设计。仿真结果表明，所设计的透镜阵列应用于光源数为的Mini-LED背光时，目标面照度均匀性达到，对比常用的均匀分布及高斯分布分别提升和。本方法在确保背光照度均匀性的前提下降低了透镜设计的计算复杂度，无需大量的后续优化工作，为Mini-LED背光中双自由曲面透镜的设计提供了一种实用有效的方法。
光学设计 背光模组 双自由曲面透镜 目标面照度分布 迭代优化算法
1 深圳大学智能光测研究院，广东 深圳 518000
2 深圳大学物理与光电工程学院，广东 深圳 518000
由于缺少可参考的散斑图案，单目激光散斑投影系统需要借助精密的测距仪器，提前拍摄不同标准距离处的散斑图像，测量效率较低，且无法在线校正系统的光轴偏移。针对上述问题，提出一种基于单目激光散斑投影系统的外参数标定方法，可将单目激光散斑投影系统等效于带有散斑图像的双目立体视觉系统。通过调整标定板的位姿，计算同名散斑点的空间三维坐标，解算红外相机与激光散斑投射器之间的位姿关系，并对其进行迭代优化，生成投射器的虚拟散斑图像。实验结果表明，所提方法的位移测量误差低于0.16 mm，标准球的半径测量误差低于0.13 mm，且在一定的深度范围内，深度重建结果明显优于Astra-Pro的探测结果。所提方法可有效提高单目激光散斑投影系统的标定效率和深度重建精度。
机器视觉 单目激光散斑投影系统 外参数标定 迭代优化
北京理工大学 光电学院 精密光电测试仪器及技术北京市重点实验室, 北京100081
在室外智能移动机器人自主导航研究中,仿生偏振导航技术由于不易受累积误差和电磁干扰影响的特点逐渐受到了关注。为提高精度、增强鲁棒性, 针对仿生偏振导航提出了一种适用于城市、雾霾天气下的航向角提取方法。引入不易受遮挡、雾霾因素影响的图像强度信息, 分别对图像强度信息与偏振天光信息构建优化代价, 并进行联合优化, 获取最优航向角; 室外实验测试显示: 信息融合方法在雾霾、天空遮挡等场景下表现良好, 在雾霾场景下标准差为0.10~0.24°, 比单一偏振天光航向角提取方法提高了83.1~99.7%; 在天空遮挡场景下的标准差为0.04~0.09°, 比单一偏振天光航向角提取方法提高了90.9~96.7%。
偏振光 信息融合 迭代优化 航向角提取 偏振图像处理 polarization information Fusion iterative optimization heading angle extraction polarized image processing
福建水利电力职业技术学院 电力工程系, 福建 永安 366000
在大视场光电测量系统中一般会采用广角镜头, 这会导致获得的测量图像存在严重的畸变问题。为了对这一类大畸变相机进行精确标定, 可以通过径向畸变除式模型以及角点亚像素坐标提取方法, 首先求解出图像畸变中心坐标及畸变参数, 然后利用二维平面棋盘格标志点与图像点的对应关系求解出单应性矩阵, 再根据单应性矩阵进一步求解出相机内外参数。求解出相关参数后, 对求解出的参数利用Levenberg-Marquardt法进行迭代优化, 再在迭代优化的基础上根据3σ法则对重投影误差数据进行坏点剔除, 然后对剔除坏点之后的坐标数据重新进行标定, 直至所有数据都符合要求, 最终可以实现大视场畸变图像的高精度校正。为了验证所提方法的有效性, 进行了仿真图像及实际图像的标定实验, 结果显示, 本方法能适当提高标定精度, 在实际实验中均方重投影误差平均值减小了0.0103个像素点, 相当于提升了0.7%的校正误差精度。
光电测量 相机标定 迭代优化 坏点剔除 photoelectric measurement camera calibration iterative optimization dead pixel removal
1 上海大学特种光纤与光接入网重点实验室，上海 200444
2 上海宇航系统工程研究所，上海 201108
3 上海卫星工程研究所，上海 200240
4 上海航天电子技术研究所，上海 201108
研究了透视投影对同心圆偏心误差的影响并建立了偏心误差数学模型，提出一种基于同心圆偏心误差补偿迭代的高精度相机标定方法，使用基于几何约束的优化算法不断更新同心圆中心投影坐标，以精确地定位图像中同心圆的控制点投影中心，从而实现相机高精度标定。实验和仿真结果验证了所提方法在视觉应用中的有效性。与传统方法相比，所提方法可为计算机视觉和三维重建任务提供更准确的相机标定结果。
测量 同心圆 偏心误差补偿 几何约束 相机标定 迭代优化 光学学报
2022, 42(19): 1912003
由单视角图像重建三维人体姿态时，深度信息的缺失与姿态的多样性使二维姿态映射到三维姿态时易出现朝向错误、细节姿态处理不佳等问题。为此，结合立体人体模型的骨骼及顶点分布规律，以优化模型变形策略为核心，提出了一种基于多特征点匹配的三维姿态重建方法。所提方法的核心是以优化能量函数的方式将多个二维人体特征点与人体模型三维特征点进行匹配拟合，从而实现三维姿态的重建，并通过部分关节点建立朝向约束项来降低深度信息缺失对重建姿态的影响，同时利用多个头部特征点调整头部姿态降低姿态多样性对头部姿态重建的影响。在公开姿态数据集MPI-INF-3DHP与LSP上的实验结果表明，所提方法有效解决了姿态模糊及细节姿态处理不佳的问题，能够准确重建常见动作下的三维人体姿态。
机器视觉 图像处理 三维姿态估计 人体模型 特征点匹配拟合 迭代优化 激光与光电子学进展
2022, 59(16): 1615003
