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 100039
3 吉林省智能波前传感与控制重点实验室, 吉林长春 130033
4 中国人民解放军95975部队, 甘肃 酒泉 735018
为了更好地对大口径分段望远镜进行集成检测与稳定性保持基准构建，本文提出一种大口径环形分段光学系统基准构建方法。首先，采用局部光瞳投射的方式实现光瞳对准映射；其次，利用微透镜阵列构建系统共焦空间基准；之后，基于环带整体调控模式，采用共焦与曲率半径联合分析，实现曲率半径与系统对准的共同调节；最后，利用白光干涉所形成的条纹包络进行粗共相探测，并利用通道光谱方法实现粗共相与精共相间的精度衔接，空间共焦基准定位精度优于125 μm，共相基准覆盖范围优于20 μm，精度优于0.5 μm，光谱基准不确定度优于5%。实现了不同时空特征扰动的分层次、多模态抑制，利用以上共基准原位测量新方法有效提升了光学系统原位计量检测精度并缩短了溯源链长度，增加了检测效率与准确度。
分段镜面 波前像差 共基准 大口径望远镜 segmented mirror wavefront aberration common reference large aperture telescope
1 中国科学院南京天文仪器研制中心，江苏 南京 210042
2 中国科学技术大学，安徽 合肥 230022
3 中科院南京天文仪器有限公司，江苏 南京 210042
太阳望远镜内部因太阳辐射作用使镜面升温，镜面上方产生局部大气湍流，导致镜面视宁度不佳，从而造成像质的严重衰减。文中基于温度梯度和气体流动导致固体-流场的耦合作用，提出镜面视宁度效应的形成机制，建立湍流大气光学产生镜面视宁度效应的理论，利用1 550 mm大口径双曲面镜的实验数据推导并验证镜面视宁度的实验模型，并对太阳望远镜主镜温控目标进行确定。在自然对流和强迫对流两种条件下，不同环境风速时镜面温差改变对镜面视宁度的影响。结果表明：镜面温差和环境风速与镜面视宁度相关性很强，增加主动通风可以降低镜面视宁度。温差是4 ℃条件下，自然对流时镜面视宁度为 1.43″；温差是 3 ℃条件下，0.2 m/s 强迫对流时镜面视宁度为 0.44″，1 m/s 强迫对流时镜面视宁度为 0.27″。根据镜面视宁度效应容差标准，在0.2 m/s强迫对流条件下，镜面-空气温差应控制在0.2 K以下；在1.0 m/s强迫对流条件下，镜面-空气温差应控制在1 K以下。此研究成果旨在揭示空气湍流的形成机理与传播规律及其对望远镜像质退化影响规律，为提升大口径太阳望远镜工作分辨率奠定基础。
大气光学 镜面视宁度 大气湍流 太阳望远镜 弗劳德数 atmospheric optics mirror seeing atmospheric turbulence solar telescope froude number 红外与激光工程
2024, 53(1): 20230412
湖南科技大学机电工程学院，湖南 湘潭 411201
以典型的20 m2小型定日镜为对象，采用光-机集成建模方法，研究了自重和风载荷联合作用下定日镜的服役光学精度特性，综合考虑了定日镜工作高度角、风压大小和关键结构参数的影响。结果表明，沿镜面横向的斜率误差分量Dx要明显大于沿其竖向的Dy，螺栓数量N增加对Dx影响不显著，但能显著减小Dy，反射镜面自身刚度弱是其服役光学精度下降的主要原因；机架中角钢型材的边长a在30~50 mm之间对光学精度影响较小，但厚度t对光学精度的影响较为显著。定日镜结构变形与镜面斜率误差均随着风压载荷的增加而线性增加，且不同高度角β下总镜面斜率误差变化曲线斜率基本一致；仅在自重作用下，高度角0°~90°内总斜率误差能控制在1.45 mrad以内；镜面变形与其斜率误差分布规律完全不同，镜面斜率误差与镜面变形之间并非呈线性正比关系，采用光学精度进行评价或指导定日镜结构优化设计是最佳途径。
光学器件 塔式定日镜 服役载荷 光-机集成 镜面斜率误差 光学精度
1 中国科学院 光电技术研究所, 四川 成都 610000
2 西南技术物理研究所, 四川 成都 610000
星-地激光通信具有通信距离远、传输信道复杂等特点, 为建立稳定可靠的星-地激光通信链路, 需要建立大口径的地面站。着重研究了地面站中500mm大口径主镜柔性支撑的点位分布及结构尺寸。让主镜组件既满足刚度需求, 也具有柔度缓解其自身动态误差。在Isight平台建立光机热耦合的优化流程。运用Zernike多项式拟合面形得到精准的镜面RMS值; 并以此为优化目标, 获取柔性支撑点位的最优解及柔性杆尺寸参数的最优解。经过优化, 主镜组件可适应温度范围扩大了约30℃; 在俯仰角度变化下, 主镜RMS值下降约2nm。对设备进行了相关试验, 主镜面形均满足指标要求小于0.08λ。
激光通信 主镜面形 动态误差 光机热耦合 柔性支撑优化设计 laser communication main mirror shape dynamic error optical, mechanical and thermal coupling optimal design of the flexible support
植被遥感监测已广泛应用于各个领域, 如农作物病虫害监测、 森林覆盖度监测、 植被生长状况监测等。 监测植物叶绿素含量变化对于了解植物长势、 监测植被病虫害乃至监测植被对全球气候变化反馈都有着重要的意义, 然而这些监测时常受到叶片镜面反射的干扰, 导致叶绿素含量反演精度降低。 旨在消除植物健康状况遥感监测中的镜面反射干扰, 搭建一套偏振多光谱成像系统, 提出一种镜面去除指数(SRRI), 并提出一种利用目标的漫反射和镜面反射的光谱和偏振特性来检测植物的融合算法, 植物的SRRI、 线偏振度(DoLP)和偏振角(AOP)均在融合框架内计算, 以消除植物镜面反射的干扰并提高植物健康状态检测精度。 此外, 基于SRRI、 DoLP和AOP的融合算法计算了一种偏振融合镜面去除指数(PFSRRI)。 对相对叶绿素含量(SPAD)、 比值植被指数(SR)、 归一化植被指数(NDVI)、 SRRISR、 SRRINDVI、 PFSRRISR和PFSRRINDVI进行了相关性分析, 以了解它们消除镜面反射干扰的能力。 结果表明, SR与SPAD (R2=0.012 8)、 NDVI与SPAD (R2=0.007 5)的相关性最差, 表明SR和NDVI对镜面反射的敏感性最高, SRRISR与SPAD (R2=0.818)、 SRRINDVI与SPAD(R2=0.889)有很好的相关性, 而PFSRRISR与SPAD(R2=0.955)、 PFSRRINDVI与SPAD(R2=0.948)的相关性最好, 从而突出了PFSRRI在消除镜面反射干扰并检测植物健康状态中的潜力。 PFSRRISR和PFSRRINDVI三维散点图显示了对植物不同健康程度具有良好的辨别能力, 具有较高的敏感性和特异性值, 通过曲面的颜色和趋势的变化可以很直观地看到植被健康状态的变化趋势和分类状况。 其中, PFSRRISR的镜面叶片和胁迫1级叶片的分类敏感性(Se)值为100%和特异性(Sp)值为100%, PFSRRINDVI的镜面叶片和胁迫1级叶片的分类敏感性(Se)值为98%和特异性(Sp)值为100%, 表明PFSRRISR和PFSRRINDVI在去除镜面干扰后的优秀的检测效果。 综上所述, 该方法能有效地消除镜面干扰, 提高植被健康状况检测精度。
遥感 镜面反射 图像融合 植被指数 植被健康监测 Remote sensing Specular reflection Image fusion Vegetation Index Vegetation health monitoring 光谱学与光谱分析
2023, 43(11): 3607
1 洛阳理工学院数学与物理教学部,河南 洛阳 471000
2 光电控制技术重点实验室,河南 洛阳 471000
3 拉瓦尔大学计算机工程实验室,魁北克 999040
成像过程中目标表面常存在大区域耀光、光斑等镜面反射光的干扰, 直接限制识别、匹配等视觉性能。提出一种基于光学偏振成像的镜面反射分量分离算法, 抑制目标表面镜面反射的影响。结合双色反射模型的偏振成像机理分析, 利用体反射与镜面反射的起偏特性差异, 提出了基于Stokes参数的体反射强度反演机制; 构建CbCr空间双色度矢量约束, 实现CbCr空间下镜面反射分量的物理隔离; 同时联合遍历式最小二乘法进行反射系数的快速求解, 高效引导镜面反射分量分离, 恢复目标表面原有细节信息。实验结果表明, 所提算法能准确抑制分离镜面反射分量, 极大保留目标原有色彩、结构、纹理特征, 场景适应性强, 目标还原度高。
镜面反射分量 偏振成像 CbCr空间双色度矢量 遍历式最小二乘法 specular reflection polarization imaging spatial CbCr-chromaticity vector traversal least squares method
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
望远镜分辨率和集光能力与其口径成正比。随着人类对于望远镜分辨力要求的日渐严格，望远镜的镜面尺寸也在不断的增加。镜面尺寸的不断加大，使镜面视宁度变得越来越重要。镜面视宁度主要是指由于镜面表面的湍流所导致的像质下降。当镜面尺寸超过当地大气湍流尺度时，就不得不考虑这一因素对于成像或者加工的影响。系统的工作环境在一定程度上会影响镜面视宁度，所以镜面视宁度对于集成检测过程也有重要的意义。因此，为了提高镜面加工的面形精度，检测系统的集成效果，必须精确测量仪器的镜面视宁度，从而为其加工检测和应用集成提供判断。文中从原理、研究现状以及在镜面视宁度上的应用三个方面出发，阐述了一维检测（自准直仪法等）、二维检测（斜率/曲率法、全息波前传感法和剪切干涉法等）、三维检测（全息粒子测速法与温度场法等）。通过介绍面向不同场景与检测要求的检测方法，对镜面视宁度的检测具有很好的指导意义。
镜面视宁度 湍流 检测方法 应用 mirror seeing turbulence test method application 红外与激光工程
2023, 52(2): 20220488
1 中国工程物理研究院高能激光科学与技术重点实验室，四川 绵阳 621900
2 中国工程物理研究院应用电子学研究所，四川 绵阳 621900
粘接工艺会影响相位校正器的实际性能，然而在研制过程中相位校正器的镜面常出现破损情况。分析粘接工艺后校正面面形的特征和镜面破损的特点发现，镜面玻璃与连接柱头材料之间热膨胀系数差异过大会导致高温固化后校正面相应位置的残余应力过大。建立数值模型对连接处的热应力进行仿真，并选取热膨胀系数与镜面玻璃相近的柱头材料以及固化温度更低的黏接剂减小残余应力。将柱头材料更换为热膨胀系数与玻璃材料（K9）更匹配的3Cr13，实验结果表明，高温固化后相位校正器的静态面形有了极大改善，多次实验均未出现校正面破损的情况。
光学器件 相位校正器 粘接热应力 高温固化 镜面破损 激光与光电子学进展
2023, 60(5): 0523004
1 华东交通大学 机电与车辆工程学院，江西 南昌 330013
2 载运工具与装备教育部重点实验室（华东交通大学），江西 南昌 330013
3 华东交通大学 轨道交通基础设施性能监测与保障国家重点实验室，江西 南昌 330013
4 南京理工大学 电子工程与光电技术学院，江苏 南京 210094
条纹投影轮廓术（Fringe Projection Profilometry, FPP）由于其非接触、测量精度高等特点被广泛应用于缺陷检测、逆向工程、计算机视觉等领域中。然而，传统的FPP单次测量只能获得有限景深范围内的被测物体的三维轮廓，无法完成视场范围内不同景深的多个被测物体的同时精确测量。文中在传统FPP系统的基础上增加两面反射镜和两个三棱镜，搭建了一种镜面辅助的FPP系统。所提出的方法能将摄像机不同景深范围内的被测物体转换到同一景深范围内，从而实现不同景深的多个被测物体的三维轮廓高精度测量。实验通过6层标准石膏阶梯模型验证了景深对三维轮廓测量结果的影响；同时分别采用传统FPP和提出的FPP系统对不同景深范围内两个标准乒乓球同时进行了轮廓测量，传统FPP测得的摄像机聚焦点处和未聚焦的乒乓球的拟合半径相对误差分别为2.9%、34.3%，而镜面辅助的FPP测得的相对误差分别为2.7%、5.3%。结果表明：文中提出的方法能补偿由于景深引起的误差，从而验证了该方法在不同景深物体三维测量中的可行性。
条纹投影 轮廓测量 不同景深 镜面辅助 fringe projection profile measurement different depth of fields mirror-assisted 红外与激光工程
2022, 51(11): 20220088
光子学报
2022, 51(12): 1211001
