基于评价函数的光电定焦方法研究

以CCD和透镜作为光学成像系统,并以高斯公式作为基本测量原理,提出了基于定焦评价函数的图像处理方法来寻找光学系统的最清晰像面位置,以实现光学系统的自动定焦。实验选用了绝对方差函数、梯度向量模函数、梯度向量平方函数三种评价函数进行了验证,经过逐次逼近,确定出最清晰的像面位置。实验数据显示,定焦精度可达0.01 mm。     

基于成像清晰度函数的非球面反射镜位置校正实验研究

在具有双曲面、抛物面或椭圆面反射镜的成像光学系统中,反射镜的位置误差通常具有对成像质量影响灵敏的特点.因此,在该类光学系统装调或工作过程中反射镜位置存在误差时需要对该反射镜进行精确调整.目前,反射镜位置校正的方法多基于对系统波前误差的测量,从而判断其位置误差.然而在系统工作过程中可能无法进行光学系统的波前测量,或者需要复杂的光学系统才能实现波前误差的测量.本文以焦平面图像清晰度作为评价函数,采用随机并行梯度下降算法对反射镜位置进行调整,使系统成像质量达到最佳.针对迭代过程中反射镜位置发生变化时图像偏离探测器靶面而无法探测的问题,本文采用了一种反射镜垂直光轴平移和旋转相结合的调整方法.在保证图像位置不变化的条件下对系统像差进行校正.室内实验验证了该方法具有可行性,校正后的成像质量达到衍射极限.     

球差对调焦函数的影响

红外导引头成像光斑测试仪系统的球差对成像光斑质量有很大的影响,降低了光斑的能量集中度.通过对球差因素影响的研究,构造的调焦评价函数能更精确地分辨最佳像面,从而通过自动聚焦寻找最佳像面位置,是测试仪评价其光学系统质量的一个重要环节.     

应用波前编码技术提高空间相机的稳健性

通常情况下,焦面在光学系统焦深范围内移动,空间相机像质变化较小,一旦移出焦深范围,像质将出现不同程度的下降。波前编码(WFC)成像技术具有很好的扩展焦深功能,能够使光学系统表现出离焦不敏感的特性。采用了扩展多项式在光瞳处引入三次相位分布,以光学传递函数作为系统像质衡量准则构建了自定义评价函数,进行了波前编码光学系统的设计,并搭建了实验装置。实验结果表明,复原后的波前编码图像不仅与原系统成像质量相当,并且在较大的焦深范围内保持一致,验证了波前编码技术提升空间相机稳定性的可行性。     

基于相位差异法的简易光学系统的图像复原方法

简易光学系统因系统结构简单而存在严重像差,导致所成图像出现模糊、失真等问题.对简易光学系统的成像特性进行分析,在已知光学系统焦距和光瞳孔径的条件下,建立含有像差的点扩散函数模型和图像复原模型,根据焦面和离焦面图像以及精确的离焦量,无需点扩散函数的先验信息,采用相位差异法对简易光学系统所成图像进行重构.实验结果表明:单透镜、双透镜和三透镜系统复原图像质量评价指标提升率分别达到24.96%、24.80%和42.04%,重构后图像质量均有明显提升.     

鱼眼镜头光学系统的非球面优化设计

应用非球面提高光学系统成像质量是镜头设计的常用手段。基于平面对称光学系统的波像差理论,通过分析鱼眼镜头各光学面的波像差贡献,将波像差贡献突出的光学面作为应用非球面的待选对象,结合波像差随非球面系数的变化趋势,确定应用非球面的光学面;应用优化算法和基于光线点列图分布定义的评价函数优化鱼眼镜头系统。通过对一个鱼眼镜头实例进行非球面优化,其点列图范围从全球面优化设计时的200 μm下降到100 μm,其评价函数值下降1个数量级,证明该方法能明显提高镜头的成像质量,对如何有效应用非球面优化鱼眼镜头的光学系统具有借鉴意义。     

一种基于U-NET多景深图片目标物定位自动聚焦算法

在多景深场景下,已知目标物类型,当目标物位于图像中心位置时,传统的聚焦评价函数曲线灵敏度较低;当目标物偏离中心位置时,聚焦评价函数曲线容易出现局部极大值或无法准确判断出准焦图像,影响自动聚焦系统。针对这两种情况,提出了一种基于U-Net神经网络判断目标物位置,设定对应窗口和评价函数的方法,即当目标物位于图像中心位置时,提出了一种新的聚焦评价函数——SMD-Roberts函数;当目标物不在图像中心位置时,设定对应窗口,选择SML评价函数对图像像质进行评价。实验结果表明,与传统的灰度梯度自动聚焦评价函数和传统的取窗法相比,该方法得到的聚焦评价函数灵敏度最少提高0.0241,耗时最少减少0.0355 s,单峰最少减少1个次峰,有效地解决了多景深场景下,应用聚焦评价函数判断目标物最清晰位置不准确及聚焦评价函数曲线出现双峰的问题,明显地提高了评价函数的无偏性、单峰性以及灵敏度。该方法普适性强,更适用于自动聚焦系统。     

基于空间相机TDI传感器重叠区图像的像移测量方法中的多解性研究

针对基于时间延迟积分(TDI)传感器重叠区图像的像移测量方法的多解性问题,提出了以光滑性评价函数最小值为像移解的多解去除方法。根据像移测量原理,探析了像移测量方法的多解性;新增了光滑性评价函数,评价像移曲线的光滑性;以共轭梯度法求解的光滑性评价函数的最小解为像移解,实现从多个伪解中提取真实解;实验结果表明像移测量结果唯一,且测量误差为0.13pixel,证明了以光滑性评价函数最小值为像移解的多解去除法的有效性。     

应用粒子群算法进行光学自动设计

将粒子群算法用于光学系统的设计优化中,构造相应的数学模型,并编程实现算法.设计了关于曲率半径r、透镜面之间的距离d和玻璃折射率n等光学系统结构参数的适应度函数,用此函数作为评价函数实现对像差的自动校正.给出用粒子群算法进行光学系统设计的实例.结果证明,粒子群算法可以克服以往光学设计中高度依赖初始结构的缺点,可以自由控制结构参数的搜索范围,从而提高光学系统设计的智能化程度.     

波像差的梯度偏离值评价方法（英文）

针对成像光学系统的波像差检测,提出波像差梯度偏离值评价方法,用于表征波前的成像性能.定义波像差梯度偏离值为波前成像点与成像能量中心的偏离值,相对波像差梯度偏离值为波像差梯度偏离值与艾里斑大小的比值.相对波像差梯度偏离值与波前口径、形状、焦距均无关,其与波像差梯度偏离值均可以用成像尺寸、成像集中度以及成像能量分布等方式进行评价.大量的波像差实际检测结果表明,成像集中度和成像能量分布在不同的检测分辨率条件下的稳定性较好,分辨率每相差一倍产生的差异通常小于10%.中频误差含量不同的两个球面和非球面波像差的实例比较结果表明波像差梯度偏离值可以很好地评价波像差的空间频率分布特征.根据出瞳位置的波像差梯度偏离值分布和像面位置的波像差梯度分布情况,可以方便地指导光学加工和系统装调.该方法可以用于制定波像差指标,进行波前质量控制.     

长焦距变焦镜头的温度分析及补偿

为了提高长焦距变焦镜头的温度稳定性,分析了温度对光学系统的影响。在CODE V里对长焦距变焦镜头光学系统进行温度仿真分析,发现温度对光学系统的像质影响很大。采用无热化技术成熟的主动调焦式补偿方式对光学系统的温度效应进行补偿,发现采取补偿后像质有很大改善,但在相机的最大空间频率处的MTF还是较低,且变焦系统各焦距时的最佳像面并不能齐焦。采用机械被动式补偿和主动调焦式补偿混合的方式进行温度补偿,使得变焦系统在要求的全温度范围内有良好的像质,短焦时MTF大于0.5,长焦时的MTF大于0.25,并且焦距也得到补偿,各焦距时的最佳像面齐焦并与CCD的像面位置重合。     

基于对焦深度法的光学显微镜系统设计

针对传统显微镜采用手工对焦方式存在自动化程度低、对焦过程较慢且对操作者经验要求高的问题,提出一套基于对焦深度法的光学显微镜系统。结合基于图像处理自动对焦的显微镜通用结构,设计了一套由ARM开发板、触控液晶显示屏、Arduino UNO开发板、红外对管、工业数码显微镜及步进电机等组成的光学显微镜系统。结合触控液晶显示屏的特点,设计出结合不同大小的感兴趣区域对焦窗口选择方法,并在采用常见梯度函数作为图像清晰度评价函数及爬山搜索算法的基础上,提出容错改进方法。实验分别对不同的图像清晰度评价函数及对焦窗口大小进行了实时性、灵敏度及容错性能测试。结果表明,该系统具有较高的可靠性。     

基于TMS320DM642的摄像机自动调焦系统的实现

调焦系统在各种光学测量及侦察设备中起着十分重要的作用。本文介绍了光学系统自动调焦的方法和图像法调焦的相关评价函数,利用TMS320DM642数字信号处理芯片为平台设计了图像法自动调焦系统。采用TI公司针对其开发的DSP芯片设计了实时多任务系统DSP／BIOS,完成了软件设计。该实时操作系统为实现调焦过程中任务的调度和实时调焦提供了保障。文中还提出了在实现调焦系统过程中需要注意的一些问题及解决方案。本文所设计的系统能在4～5步（大约2S内）找到像面,满足实际应用的需要。     

椭偏光学显微成像系统聚焦评价函数的研究

自动聚焦技术在椭偏光学显微成像系统中是一项关键的技术。利用几种常用聚焦评价函数作为研究手段研究了这一过程。实验中采用硅基底表面人血纤维蛋白膜层和多元蛋白质芯片样品作为研究对象,研究了几种函数在自动聚焦过程中函数值的变化,以及噪音、样品区域选择对聚焦效果的影响。实验验证托普拉斯评价函数和Sobel评价函数可以满足系统的要求;采用多幅图像平均的方法可以有效降低噪音．当平均次数达到9次以上．系统噪音的影响就可以被降至有效评价的程度;沿同一锐边,选择不同的调焦区域．对聚焦过程基本没有影响;利用评价函数在实验中确定了倾斜平面成像的最佳聚焦平面,并与理论像平面吻合。实验证明利用聚焦评价函数可以成功实现自动聚焦技术在椭偏光学显微成像系统中的应用。     

外场紫外与可见光双波段可调焦装置校准设计

设计了一种用来校准紫外与可见光光轴平行性的可调焦光学系统,调焦范围为70 m~。针对目前大多数校准系统无法进行调焦的问题,提出一种既能校准紫外与可见光光轴平行性又能对紫外部分进行调焦的方法。采用离轴卡塞格林系统作为初始结构进行设计,通过在传统的卡塞格林系统中加入调焦组和补偿组来实现调焦以及像差补偿,所设计的系统可以有效地解决紫外与可见光双光轴平行性失调的校准问题,提高紫外与可见光双光轴平行性校准效率,并且在不同视距下光学传递函数值及点列斑均接近衍射极限,能量集中度达到90%,整个视场的像质均匀,像面清晰,有利于后续的图像处理工作。     

Object plane detection and phase-amplitude imaging based on transport of intensity equation

By using transport of intensity equation (TIE), phase distribution of an object is retrieved from through-focus intensity images. This technique allows simple and robust phase imaging compared with an interferometric approach. However, it is hard to measure phase distribution when a dynamic object moves in the direction of an optical axis. To clear this problem, autofocusing TIE which is based on local statistics is proposed. The proposed technique achieves the detection of the object plane and the retrieval of a focused object phase distribution simultaneously. In this approach, an object plane is determined by the focusing techniques based on local statistics such as variance, gradient, and Laplacian of amplitude distribution, after phase distribution in an image sensor plane is retrieved by the TIE. The performance of these three statistics is evaluated in numerical and optical experiments, and a suitable focus value is determined for precise phase imaging.     

基于离焦图像复原的光学设备实时视频对焦方法

针对大口径光学设备使用过程中因传感器靶面离焦导致的图像模糊问题,从图像复原方法入手,推导光学设备的离焦点扩散函数和离焦传递函数,提出图像离焦程度判断方法,运用爬山法、逆滤波方法,寻找最佳离焦量值和方向,复原模糊图像为清晰图像,给出了大口径光学设备的实时视频对焦方法,并进行实验验证。结果表明该方法在外场光学设备的自动调焦中具有重要的推广应用价值。     

Tight Focusing Properties of Radially Polarized Gaussian Beams with Pair of Vortices

The tight focusing properties of a radially polarized Gaussian beam with a nested pair of vortices having a radial wave front distribution are investigated theoretically by the vector diffraction theory.The results show that the optical intensity in the focal region can be altered considerably by changing the location of the vortices nested in a radially polarized Gaussian beam.It is noted that focal evolution from one annular focal pattern to a highly confined focal spot in the transverse direction is observed corresponding to the change in the location of the optical vortices in the input plane.It is also observed that the generated focal hole or spot lead to a focal shift along the optical axis remarkably under proper radial phase modulation.Hence the proposed system may be applied to construct tunable optical traps for both high and low refractive index particles.     

基于聚焦评价函数的自动调焦方法的研究

针对使用图像清晰度的聚焦评价函数来实现显微镜系统中的自动调焦,介绍了几种常用的图像清晰度聚焦评价函数,在自动倒置显微镜下进行大量的实验,分别利用这几种函数对采集到的图像进行评价分析。研究结果表明,在显微镜系统下利用基于梯度类图像清晰度评价函数拉普拉斯(Laplacian)算子可以有效地抑止噪声干扰,并且单峰性、重复性和稳定性都比较良好,能实现快速高效的自动调焦。