基于数字微镜器件的自适应高动态范围成像方法及应用

在结构光三维扫描测量中,强反射表面因编码结构光照射后易产生局部镜面反射的特性,引起相机曝光饱和,淹没了所要检测的表面几何特征信息.为解决强反射表面的视觉成像难题,基于数字微镜器件(digital micromirror device,DMD)具有调制入射光线空间信息的特性,本文提出一种基于DMD的自适应高动态范围成像方法.设计与搭建了一套新型可编程的计算成像系统,建立其光学系统模型,并实现了DMD微镜与CMOS像素的匹配与映射;分析了基于逐像素编码曝光的高动态范围成像原理,并设计了基于DMD的光强编码控制算法,实现对入射光线强度的自适应精确调制,从而使进入成像系统中的入射光强始终处于相机的合适曝光强度内.实验表明:该方法突破了普通数字相机的动态范围限制,能够精确地控制被测强反射表面各个区域的入射光线强弱,并实现了对强反射表面的局部过曝光区域的清晰成像.该研究成果将为从根源上解决强反射表面因局部过曝光造成的三维点云缺失问题提供重要的解决方案.     

运用四元数分析椭球微粒所受的光阱力

在光镊的射线模型中,追迹光线在界面的折射反射光是较基本的也是较复杂的问题.传统的几何光学法计算光线的方位,对于一些不规则的物体来说,存在一定的困难度.本文提出使用四元数简化空间光线追迹,从而可计算非球形颗粒的光阱力.以入射光线和界面法线的外积确定入射面的法线为旋转轴;根据折射定律确定由入射光线旋转到反射光线和折射光线的角度.将入射光线以四元数表示,根据四元数旋转,可获得反射光线和折射光线的空间矢量.根据光子的动量变化,求得光阱对微粒的作用力.本文以球差影响下的不同形变的椭球为计算示例,模拟了椭球在光阱下的动力学行为,结果表明椭球的横向和轴向俘获效率受到各方向变形系数的影响;球差增大降低了轴向的最大俘获效率,稳定俘获位置也随之朝负轴偏离中心更远;在固定球差作用下,最大轴向俘获效率与轴向变形系数相关,在特定的变形下轴向俘获效率变得较大.由此验证了四元数方法的正确性、实用性与普遍性.     

折射光强可以大于入射光强

在学习有关光波在两种透明均匀介质界面上反射和折射的菲涅耳公式时,往往疏忽了下面两种有趣的情况: 1.折射光波的振幅可以大于入射光波的振幅,即透射振幅比ts或tp可以大于1.注脚“s”和“p”分别表示光振动垂直和平行于入射面的振动状态. 2.折射光强可以大于入射光强. 假如认为,折射光波是从入射光波中“分振幅”分出来的,它的振幅和光强一定小于入射光波,那是极为错误的. 设入射光波的振幅是一个单位,则透射振幅比t的数值就是折射光波的振幅值. 光强的定义是垂直照射在单位面积上的光功率,设在折射率为。;介质中人射光强为一个单位,则上(t…     

周期量级超短激光脉冲在近临界密度等离子体中形成的光孤子

利用一维粒子模拟程序，观测到周期量级的超短激光脉冲在等离子体中可以以孤子形式传播.它在一定密度等离子体中以较高的群速度向前传播，并在到达等离子体与真空界面时发生反射和透射.当入射激光脉冲强度增大时，非线性调制效应使它产生较大的频率下移，致使光孤子传播速度变小.另外，对于同样光强下的几十个周期以上的光脉冲，它在等离子体中传播时形成的则是一连串低频的被捕获在等离子体中的光孤子. 关键词： 光孤子 超短激光脉冲 等离子体 粒子模拟     

光在水中吸附膜层气泡上的散射特性

光在水中大尺度气泡上散射特性的研究多是基于Davis模型.该模型没有考虑到吸附膜层对光在气泡上散射的影响,而海水中的大多数气泡都有膜层附着,这些膜层会影响到气泡的光散射特性.本文从几何光学的角度出发,建立了吸附膜层气泡的体积散射函数简化公式.在此理论基础上,模拟计算了尺度远大于入射光波长的大气泡散射光强分布曲线,得出光照射下气泡上散射光强的远场特性,讨论了影响气泡散射光强分布的主要因素.并与无膜气泡光散射分布曲线比较,讨论了油膜膜厚、折射率等参量对气泡的光散射特性影响.得出结论:吸附膜层气泡的光强分布曲线与无膜气泡相似,但吸附膜层会削弱前向散射光,增强后向散射光.     

光在高速运动界面上的反射和折射

依据闵可夫斯基运动介质电磁场理论，从物质方程和边界条件出发，导出了平行于入射面电场分量反、折射分配的Ｅｒ－Ｅｉ、Ｅｔ－Ｅｉ菲涅耳公式．用几何方法求得运动界面上法线方位角反、折射定律，进而导出光线的反、折射定律．基于光线速度满足洛伦兹变换，由光在静止界面上反、折射定律也可导出运动界面上光线的反、折射定律，最后给出了光线反、折射定律实例曲线，它们明显地依赖于界面速度．     

蘸粘式光纤液体分析仪的折射率传感特性研究

提出了一种测量液体折射率的光纤液体分析仪。利用液体表面张力的作用,在光纤探头端形成一个液滴。该液滴的作用相当于一个平凸透镜,发射光纤出射的光经液滴表面折射、未扰液面的反射和液滴表面的再次折射后进入接收光纤。根据菲涅耳公式,光线在各个界面的透射系数和反射系数与液体的折射率有关,且对于不同的液体,光线的传输路径不同。基于球面折射成像和反射式强度调制原理,分析了光线的传输路径,并建立了接收光纤接收到的光强与液体折射率的关系模型。对不同浓度的NaCl溶液进行了测量,实验结果符合理论预期,表明该方法可以用于液体折射率的测量。     

衣物在潮湿时变暗的光学分析

通过理论推导和实验探究,从反射、折射、吸收方面阐述了衣物在潮湿时会变暗这一现象的产生机理.当衣物被浸湿后,由于光在浸湿液面内的不断反射和折射使得最后反射到人眼的光强大大减弱,同时由于光在液体内的吸收又使反射的光强减弱,从而看到衣物在潮湿时变暗.     

自然光在多层介质分界面上折射时的偏振度

通过光在介质的分界面上折射时产生的偏振现象,利用非磁性介质的菲涅耳公式及入射、折射时的光强关系,从理论上详细推导了自然光在两介质分界面上折射时其偏振度的数学表达式,探讨了透射光的偏振程度与介质层数的关系.实验测试的结果表明,在考虑误差存在的情况下,实验曲线与理论曲线的变化趋势基本相符;对于同一介质,折射光的偏振度随入射角的增大而单调地增加.     

部分偏振光经界面反射时的偏振度分析

定量计算了轴外点光源发出的部分偏振光束经界面反射后反射光偏振度与空间坐标及点光源坐标间关系，定量计算了特定参数的入射部分偏振光束经界面反射后的偏振度分布，给出了偏振度变化的数量级。计算表明一定偏振度的入射部分偏振光束经界面反射后，反射光束偏振度由于界面反射在反射光束截面上将产生一定分布。偏振度的变化不仅与光线入射角有关，还与点光源位置有关     

尾流中气泡对光传播的影响

从几何光学的角度出发,针对气泡直径与光束直径之间的大小关系,分两种情况,推得了单个气泡的散射光强变化情况,以及气泡速度与散射光强之间的关系.得出散射光强的变化频率与气泡半径和速度存在一定的关系,光束的直径与气泡直径的大小关系决定光强变化的强弱.在此理论基础上,模拟了光强的变化,并与实验所得曲线相比较,验证了实际与理论的相符性.同时用短曝光、连续拍摄的数码相机对气泡进行拍摄,进一步验证了理论推导的正确性.     

水中气泡上的体散射函数的模拟与计算

基于几何光学的基本原理,推导出一种可以计算水中大尺度气泡上光散射角度与强度的关系式。推导中避免引入衰减因子G,较Davis模型更为简单。该模型可应用于光在水中单个气泡上散射的数值计算。最后,模拟计算了平行光束入射水中气泡的体散射函数曲线,发现水中气泡的前向散射远大于后向散射;当气泡半径在远大于光波波长的前提下变化时,气泡上散射光强分布规律与气泡半径无关;而介质相对折射率的增大会削弱前向散射而增强后向散射光强。     

Tunable positive and negative refraction in optically induced photonic lattices

We study tunable refraction of light in one-dimensional periodic lattices induced optically in a photorefractive crystal. We observe experimentally both positive and negative refraction of beams that selectively excite the first or second spectral bands of the periodic lattice, and we demonstrate tunability of the output beam position by dynamically adjusting the lattice depth. At higher laser intensities, beam broadening due to diffraction can be suppressed through nonlinear self-focusing while preserving the general steering properties.     

高斯光束在单轴挛晶界面上的反射与折射

给出了高斯光束入射到挛晶结构的电磁场分布,解出了反射系数和透射系数。根据晶体的色散关系解出了入射角、反射角和折射角关于晶体参量及波矢的方程,并根据角度方程给出了在一定参量下反射角和折射角关于入射角变化的关系图,以图示的方法显示了光束在界面处的异常性质。根据角度关系和反射、透射系数分析了异常光束在界面处能够出现二性折射、负反射、全透射和全反射等光束的奇特性质;分析了出现这些奇特性质对晶体参量和入射角所要求的条件。根据时间平均的能流密度公式,用数值模拟的方法给出了二性折射、全透射和全反射在特定参量下的高斯光束在挛晶内的能流密度分布图及当发生全反射时不同宽度光束在界面处关于入射角的古斯-亨兴(Goos-Hanchen)位移。     

Electromagnetic wave refraction on the interface of absorptive and transparent isotropic media and non-resonant excitation of surface waves

New formulae for the angles of refraction at the interface of the absorbing/transparent isotropic media are derived from Maxwell's equations. Using the time-averaged Poynting vector for the direction of the beam of light, the noncoincidence of incidence and refraction planes is predicted for the mixed polarization of incident wave. The angle between the refracted beam and incidence plane is especially large for the condition of non-resonant excitation of surface electromagnetic waves at a flat interface of absorptive-transparent media.     

Analysis of Internal Conical Refraction Using Ray Tracing Formulas for the Biaxial Crystal

Internal or external conical refractions are strange optical phenomena appearing in biaxial crystal. In this paper the analysis of internal conical refraction is derived using the ray tracing formulas for the biaxial crystals, after explaining the theory of the ray tracing for the biaxial or uniaxial crystals. The double rings of conical refraction are also investigated; these are affected by the polarization state or angular intensity distributions of the incident light beam causing conical refraction.     

非线性介质表面缺陷对激光光场的调制

以高斯光束为例,研究了非线性介质表面振幅调制型缺陷对光场的调制。基于广义惠更斯-菲涅尔衍射积分并采用泰勒级数展开方法,建立了高斯光束经过表面存在缺陷的非线性介质后的传输模型,得到了受缺陷调制光束经非线性介质后的光强分布解析式,研究了缺陷尺寸和光束在非线性介质中产生的附加相移大小对光强分布的影响,结果表明介质表面的缺陷尺寸越大,介质内产生的附加相移越大,光场受到的调制越严重。分别考虑了非线性折射率为正值和为负值的情况,研究发现相应的折射率值导致光束发生会聚或发散现象,并由于缺陷调制的作用,在光束传输过程中始终存在一光强极值点,且随着附加相移绝对值的增大光强极值点的峰值也随之增强。     

Manipulating light flow with one-dimensional photonic crystals of an electromagnetically induced transparency medium

The band structures and equifrequency contours of one-dimensional photonic crystals (PCs), which consist of an electromagnetically induced transparency (EIT) medium and a common dielectric medium, can be dramatically changed by tuning the coupling field intensity (or coupling Rabi frequency, CRF) of the EIT medium. It is found that for a probe light at a fixed frequency, either positive or negative refraction in the EIT PC can be realized with a proper CRF. The behavior of a Gaussian beam (probe light) obliquely incident on such an EIT PC slab is simulated numerically. The probe light beam transmitted from the slab can be shifted transversely in a large range, and negative refraction enhances this effect. The present scenario can be applied in some areas such as quantum optical and photonic device designs.     

Optical and acoustic monitoring of bubble cloud dynamics at a tissue-fluid interface in ultrasound tissue erosion

Short, high-intensity ultrasound pulses have the ability to achieve localized, clearly demarcated erosion in soft tissue at a tissue-fluid interface. The primary mechanism for ultrasound tissue erosion is believed to be acoustic cavitation. To monitor the cavitating bubble cloud generated at a tissue-fluid interface, an optical attenuation method was used to record the intensity loss of transmitted light through bubbles. Optical attenuation was only detected when a bubble cloud was seen using high speed imaging. The light attenuation signals correlated well with a temporally changing acoustic backscatter which is an excellent indicator for tissue erosion. This correlation provides additional evidence that the cavitating bubble cloud is essential for ultrasound tissue erosion. The bubble cloud collapse cycle and bubble dissolution time were studied using the optical attenuation signals. The collapse cycle of the bubble cloud generated by a high intensity ultrasound pulse of 4-14 micros was approximately 40-300 micros depending on the acoustic parameters. The dissolution time of the residual bubbles was tens of ms long. This study of bubble dynamics may provide further insight into previous ultrasound tissue erosion results.