Optical design for enhanced prism type fingerprint scanner image contrast with asymmetrical aspheric lens

The design of optical prism fingerprint scanner with aspheric lens is researched. We propose a modified structure for optical prism fingerprint scanner, which has an asymmetrical aspheric lens on the output plane. It is numerically shown under elliptic valley similar fingerprint model that the optical image qualities of such a scanner are better than the scanner with symmetrical aspheric lens. When the fingerprint range is 15 mm, the results show that the minimum image contrast is 0.49 for an optical prism with asymmetrical aspheric lens, much better than a symmetrical aspheric lens with 0.20. The relative illumination variation is from 0.62 to 1.00 for optical prism with asymmetrical aspheric lens, and for the symmetrical aspheric lens it is 0.35 to 1.00. We conclude that an optical prism with asymmetrical aspheric lens is better than an optical prism with symmetrical aspheric lens.     

多角度耦合分幅相机光学系统设计

为实现高速相机的分幅功能,本文提出一种采用多角度耦合分幅方式的高速相机光学系统。该系统分幅结构采用多组相同的光学系统,在平行于物面的圆周上均匀分布,分别从不同角度拍摄同一物面,在保证各组系统的物方视场相同的情况下,每组光学系统的光轴与物平面的夹角均相同,通过优化设计得到全视场的最佳成像。根据需求,使用光学设计软件设计了多角度耦合四分幅成像中长焦光学系统并绘制三维立体仿真模型,分析了每组像面像质、照度以及畸变等相关参数,调制传递函数MTF在频率为50 lp/mm处不低于0.5,F数为2,畸变小于0.4%,相较于常用的棱镜和反射棱锥分光方式,无需额外分光结构,像面照度提高4倍以上。结果表明成像质量理想,分幅相机系统各像面所成像一致性高。     

一种基于共轭节面的图像畸变分析方法

无像差的光学相机的成像模型可由其共轭节面模型等效表示。针孔模型本身忽略了偏离该等效模型的误差,也无法表示平板玻璃的平移误差、光轴的安装误差以及实际相机光学系统的像差,这四个因素都会引起图像畸变。基于此利用共轭节面的性质建立了一种图像畸变几何模型,并与广泛采用的像差模型进行了对比,从理论上解释了像差模型各个系数的物理意义。对某实际针孔相机进行仿真分析,该几何模型给出的相对径向畸变、角度误差在设计参数的范围以内,并且可以模拟图像的非对称畸变。该几何模型需要辨识包含主面相关参数、光轴倾斜角和平板玻璃的轴向球差在内的4个参数,辨识参数较少,理论上可以作为一种新的图像畸变校正方法。     

Polarization transforming properties of Dove prisms

We analyze the polarization changes introduced by a rotated Dove prism on the linearly polarized light, using the Jones calculus and the exact ray trace analysis. The state of polarization changes from the linear to a mildly elliptical one when a plane wave front passes through a rotated Dove prism: its semi-major axis is nearly parallel to the input plane of polarization, for any angle of prism rotation. The interferogram contrast remains high for all shearing angles in spite of polarization changes when the Dove prism is incorporated into a rotational shearing interferometer. These results are confirmed experimentally.     

Single-lens camera based on a pyramid prism array to capture four images

An optical design with a pyramid prism array is employed to simultaneously capture four images. The apex angle design of an upper and lower prism array is to form the upper and the lower images of the object. The design of the left and right prism array is to develop the left and right images. In the prism array, the unwanted image can be eliminated by blacken process in the plane gap between each prism. The optical design was based on the pyramid prism array and a single-lens to make the system light, portable and low-cost.     

同时实现多角度非垂轴面均匀照明的衍射光学器件

本文利用长焦深器件设计思路,提出了通过设计衍射光学器件相位分布使得在三个垂轴面上满足均匀照明要求来间接实现非垂轴面均匀照明的设计方法,并完成了同时实现多种角度非垂轴面均匀照明的衍射光学器件设计.基于爬山法和模拟退火法相结合的混合算法,设计了器件的相位分布,在30°、45°、55°非垂轴面上光斑不均匀性分别为5.91%、4.00%、3.38%.该方法可推广至二维情形,实现任意曲面均匀照明的要求.     

应用于数字高速成像的离轴光学系统设计

为提高数字高速多幅相机的像面照度,简化光学系统结构,提出一种离轴光学系统设计方法。该系统使用多组相同物镜,采用圆心一组,圆周均匀分布多组的方式平行阵列排布。分布于圆周上的物镜,其像面接收器相对物镜轴心平移离轴,以获得与圆心物镜相同的物面图像。分析了单物镜像面照度、畸变等与视场有关参数对光学系统各像面匹配的影响。在此基础上给出一个5通道离轴光学系统设计实例,系统空间分辨率优于30 lp/mm,畸变小于0.1%,F数2.0。相比目前广泛采用的棱锥、棱镜分幅方式,该离轴光学系统像面照度增加5倍以上,系统结构简易。     

一种用于跟踪高加速度目标的消旋瞄准系统

本文介绍一种用于跟踪高加速目标的消旋瞄准系统.在大中型经纬仪上一般需配置两维的目视瞄准系统.如果在目视瞄准系统中加入消象旋转棱镜,则配置一个瞄准系统就可解决两维方向上的瞄准观测任务,在使用和精度上都具有很大的经济效益.本文从光学系统中加入消旋棱镜入手,解决由此而带来的结构设计难点,分析光轴偏表达式,找出与其相关的因素,通过正确的装校调整,控制了允许的光轴偏,从而达到设计指标要求.     

地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42 mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

地平式望远镜消旋K镜的设计

地平式望远镜在进行天体目标跟踪观测时会产生像旋,即视场中的星体会围绕视轴中心旋转,给实时目标识别和基于多帧积累的图像处理算法带来了诸多不便.本文针对地平式望远镜的Coude光路,设计了一种通光口径较大,由三面平面反射镜组成的K镜消旋机构来消除像旋.消旋K镜由三面反射镜组成,通光口径为42mm,第一面反射镜与第三面反射镜的夹角选择为120°,使K镜通光口径较大,能在全光谱波段范围内使用.入射光线绕光轴转动一定的角度,K镜相应的转动入射光线转角的一半,则出射光线不产生旋转.第一面反射镜和第三面反射镜由两面平面镜固定在金属三角架上组成,替代由三棱体磨制的反射镜面,利用自准直平行光管和高准确度转台装配各反射镜,使K镜光轴和回转轴同轴,并采用直流力矩电机直接驱动,使系统具有较快的响应速度.测角元件采用Renishaw圆光栅,细分后的角分辨率为0.072″.     

Line-scan CCD camera calibration in 2D coordinate measurement

We present a line-scan camera calibration method in a plane not perpendicular to but parallel to the optical axis, without requiring the camera motion or a complex calibration pattern. A random 2D reference coordinate system in the calibration plane can be used, images of a rod perpendicular to the calibration plane at known coordinates are captured by the camera, the relation between the given coordinates and the rod image centroid position are analyzed based on a reduced pinhole model and image processing, and then the camera parameters and distortion factors are all estimated. These distortion factors build a sample relation only between the image position in theory and in practice, and they do not change with object position. Two wide-angle line-scan cameras that are used in a 2D-coordinate measurement system are calibrated by this method; the application results illustrate the effectiveness and convenience of this method.     

稳像光学系统设计

重点沦述光学稳像的光学原理,并引用具体的平面反射镜作为光学补偿元件(也就是光稳元件)的稳像方式加以阐述,由此导出倒像系统和正像系统达到相对稳像和绝对隐像时补偿角与扰动角之间的关系式。论述采用会聚光路稳像时由棱镜的微量转动而达到绝对稳像时棱镜转动中心的求法。论述光稳元件兼作转像棱镜时光稳元件的有效孔径与转功中心和棱镜位置的关系。     

采用树脂透镜的掌纹图像采集光学系统设计

为了获得高分辨率、高对比度和低畸变的掌纹图像,同时实现系统的轻量化和高性价比,本文基于全反射原理,采用树脂材料设计了一款由6片镜构成双远心光路的掌纹采集光学系统。树脂材料的选用减轻了光学系统的总重量;基于光的全反射原理的系统设计增强了掌纹图像的对比度;选择双远心光学结构,便于对倾斜物面所产生的梯形畸变进行矫正。对所设计光学系统的成像质量分析表明,该系统所有视场的光学传递函数（MTF）在Nyquist频率228 lp/mm处均达0.55以上,畸变〈0.14%。设计的光学系统可以采集120 mm×160 mm的手掌区域,实际手掌面上的分辨率达到500dpi,采集的掌纹图像分辨率达到8.0×106 pixel,满足了实际采集的要求。     

Two-dimensional vision measurement approach based on local sub-plane mapping

The existing two-dimensional vision measurement methods ignore lens distortion, require the plane to be perpendicular to the optical axis, and demand a complex operation. To address these issues, a new approach based on local sub-plane mapping is presented. The plane calibration is performed by dividing the calibration plane into sub-planes, and there exists an approximate affine invariance between each small sub-plane and the corresponding image plane. Thus, the coordinate transformation can be performed precisely, without lens distortion correction. The real comparative experiments show that the proposed approach is robust and yields a higher accuracy than the traditional methods.     

多功能鼠标光路的设计与分析

多功能无线光电鼠标运用2个图像摄影芯片,通过轨迹球滚动和鼠标座身移动两种方式实现光标移动。通过比较原始鼠标光路中2个图像摄影芯片能够接收到的最小光通量百分比,选择ADNS7530作为鼠标中唯一保留的图像摄影芯片。保持轨迹球光路不变,鼠标座光路中增加一个与轨迹球光路相同的LED光源。比较鼠标座的桌面反射光分别通过轨迹球反射、棱镜反射和平面镜反射后,最终到达图像摄影芯片的光通量百分比。确定并验证了鼠标座光路采用平面反射镜的设计方案,实现了无线空中操作鼠标轨迹球光路和鼠标座光路共用1个图像摄影芯片的目的。     

光学微操纵过程的轴平面显微成像技术

光学俘获技术利用光与物质相互作用产生的光势阱效应来实现对微粒的操控,已经成功应用于生物医学、材料科学等交叉领域.在对微粒进行三维俘获时,传统的宽场光学显微技术只能观测到某一平面内微粒的横向运动,对微粒沿轴向运动的观测受到很大限制.本文将轴平面显微成像技术引入光学微粒操控研究中,利用45?倾斜的反射镜把微粒的轴向运动信息转换到横向平面进行观测,与传统宽场显微成像技术相结合,实现了对二氧化硅小球俘获过程横向和轴向运动的同步观测.该成像方法无需扫描和数据重构,具有实时快速等优点,在新型光束光镊、厚样品三维观测和成像等领域具有潜在的应用价值.     

基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪设计

设计一种以Wollaston棱镜为分光元件的图像复分快照式成像光谱系统,主要包括前置望远物镜、准直镜、Wollaston棱镜组、成像镜和补偿滤光片。此类光学系统可以一次曝光获取同一目标景物在不同波长下的二维信息。光束经过Wollaston棱镜组分光,为了使不同波长对应景物不至于重叠,要求分束角度比较大,这样进入成像镜的光线入射角度相对较大,无疑增加了成像镜的设计难度。分析了基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪的原理及特点,设计了一套完整的成像光谱系统。全系统结构复杂,光学系统的光阑必须匹配好。为了使得不仅单个镜头成像质量良好,而且镜组之间能够良好的衔接,将前置望远物镜设计为像方远心结构,准直镜设计为物方远心结构。全系统采用多重结构,使得16个谱段在56线对处的MTF值均接近衍射极限,点列图中RMS值基本都在艾里斑以内,系统成像质量良好。     

基于球面透视投影约束的全景环形透镜畸变校正

全景环形透镜将折反射面集成到一起,能无扫描地瞬时得到围绕光轴的360度超大视场,在机器人导航、视频监控和虚拟现实领域得到了广泛的应用.其成像机理是将围绕光轴的视场二次反射投影到环形平面上,图像存在严重的切向和径向畸变.本文根据全景环形透镜的特点采用基于球面透视投影模型对图像进行校正.首先建立含有畸变参量的全景环形透镜校正模型,将空间直线点映射为球面点,然后使用遗传算法将球面点拟合为球面上的最佳大圆,求出变形校正参量,进而校正全景环形像.仿真和真实图像实验表明,环形图像的切向和径向畸变得到了很好的校正.     

激光接收与彩色电视共窗口设计

介绍了激光接收和彩色电视共窗口的多波段光谱融合技术.采用一个焦距为20~450 mm的连续变焦距镜头(视场角在13.68°×10.26°~0.61°×0.46°内连续变化),在会聚光或平行光的条件下,采用立方棱镜或平板玻璃分光,分别进行了对比试验.结果显示,使用会聚光下的立方棱镜分光,在大视场13.68°×10.26°的情况下,光线入射角最大,色偏移严重,图像颜色严重失真.随着视场角的减小,光线入射角减小,图像颜色失真程度逐渐减小,越接近小视场0.61°×0.46°,图像颜色失真现象基本消失;而使用平板玻璃对平行光分光的条件下分光,连续变焦距镜头在整个视场范围内,不仅光学像差满足要求,同时解决了棱镜分光的色偏移问题,图像颜色正常,在空间尺寸苛刻的情况下,彩色电视光学系统MTF在108 lp/mm时达到了0.3,设计结果满足工程应用要求.     

Simple method to measure the visual axis of the human eye

We propose a simple method to measure the angle "α" that the visual axis (VA) makes with the optical axis of the human eye. In this method, we capture the images of the pupil from three different angles, one along the VA and the other two along angles that are symmetrical with respect to the VA. These views of the pupil are captured simultaneously by a camera in a single photograph using a pair of plane mirrors. Assuming a model eye and with the help of finite ray tracing, we compute the value of α from the measured diameters of the three images of the pupil. Having a simple means to measure the value of α can be useful for optical modeling and analysis of the human eye. Measurement of the VA may also be useful in monitoring progressive myopia.