惯性约束聚变的中子半影成像诊断系统的优化研究

在激光驱动的惯性约束聚变实验中,中子半影成像是重要的诊断方法.基于分辨率的要求,模拟了中子源与半影孔装置间不同距离、半影孔装置不同厚度、半影孔装置不同外径以及不同孔型的系统点扩展函数,通过分析点扩展函数的尖锐性和等晕性优化诊断系统.同时还给出了系统的装配误差要求,并发现系统在线性重建时能达到15 μm分辨率,而非线性重建时能满足5 μm分辨率的诊断要求. 关键词： 中子半影成像 Monte Carlo方法 系统优化 分辨率     

基于电动可调焦透镜的大范围快速光片显微成像

搭建了一种基于电动可调焦透镜(electrically tunable lens)的大范围快速光片荧光显微成像系统.通过引入电动可调焦透镜与一维振镜以实现成像物平面和光片位置的快速移动,再结合高速s CMOS完成快速光片荧光显微成像.另外实验中通过改善光路与提升动态成像质量,实现了大范围扫描并减少了伪像.最终对成像性能进行测试,本系统的纵向分辨率和横向分辨率分别达到约5.5μm和约0.7μm,单幅图像稳定成像的速度约为275 frames/s,成像深度可超过138μm,能满足对具有一定尺寸的生物样本进行实时清晰成像的需求.     

滑动焦点光声显微成像方法

在高分辨光声显微成像系统中,只有在有限焦深范围内的吸收体可以获得高分辨率高信噪比的成像,而实际的生物组织往往具有不规则的轮廓,导致成像结果分辨率和信噪比不均匀。提出了一种基于稀疏扫描轮廓的滑动焦点光声显微成像方法,首先在固定的焦点上稀疏扫描轮廓,人工选择轮廓点获取轮廓的稀疏矩阵,然后通过双调和(Biharmonic)插值获取完整的轮廓矩阵,并将轮廓矩阵转化为焦点位置移动矩阵,最后进行二次扫描,根据焦点位置移动矩阵在每次扫描之前调整焦点位置,使得在整个扫描过程中,样品始终处于焦深的范围,从而获得分辨率和信噪比均匀的光声显微图像。通过模型实验和在体皮下血管成像、颅下血管成像,证明了该方法可以有效地提高光声成像的质量。     

基于灰度相关的高分辨率红外图像重建

介绍了提高空间分辨率的受控和不受控的微扫描法。基于空间灰度相关分布特性,提出了一种微扫描误差修正算法,该算法利用灰度相关特性匹配低分辨率图像的位置关系。为准确评估成像质量,利用高精度METS-L型红外测试系统对MTF进行了测试。测试结果显示,该算法能较好抑制微扫描位移误差引起的图像模糊,有效提高了空间分辨率。     

全景式TDICCD摆扫航空相机像面旋转的高精度补偿

摆扫式相机在扫描成像过程中,必须保证扫描机构与像面探测器之间摆扫运动的同步性,如果二者之间出现角度偏差或速度偏差,就会引起像旋转现象,使图像模糊,造成图像质量的下降。以全景式时间延迟积分(TDI)CCD摆扫航空相机为例,利用坐标变换方法建立了像旋分析的数学模型,分析了位置同步误差与速度同步误差对成像质量的影响,提出了基于干扰观测器的同步补偿方法,保证了两个机构之间位置及速度的同步性,实现了调速控制器与同步控制器的独立设计,有利于实际应用。通过实验室静态分辨率成像实验及对外成像实验,对理论分析结果进行验证。实验结果表明基于本方法的位置及速度同步误差分别小于0.0043°、0.0695°/s,均满足补偿精度要求,在成像过程中图像的旋转及失真现象得到了明显的抑制,图像质量获得了大幅提高。     

星对星激光雷达反射层析成像技术探讨

以星对星激光雷达成像为应用背景,提出了一种基于啁啾脉冲信号的反射层析成像处理方法,该方法通过激光雷达多角度回波非相干累积实现高分辨率的图像重构;分析了星对星反射层析成像的实现条件,包括成像分辨率、工作模式及成像时间.研究结果表明,采用本文所提出的成像方法,通过同轨道面的伴星探测方式可以满足激光雷达反射层析成像多角度探测的要求,在观测角度范围大于60°时能够得到0.1 m目标分辨率,角度范围越大,分辨率越高,且成像时间与卫星轨道半径和两星距离有关.实验验证了该方法的有效性和星对星反射层析成像的可行性.     

合成孔径激光雷达成像之匹配滤波器

基于光学衍射理论,探讨了采用准单色光照明的条带模式合成孔径激光雷达(SAL)的成像过程,给出了几种情况下,方位合成孔径成像匹配滤波器的解析表达形式及相应的成像分辨率。结果表明,条带模式SAL方位成像匹配滤波器的表达式除了与激光发射波长、成像距离和雷达坐标有关外,还与发射光束特性、接收光路结构参数等有关。因此,在实验室采用高斯光束作为探测光源进行SAL演示成像时,目标放在发射光束光腰处、瑞利范围之内、多倍瑞利范围之外等不同位置所需要的方位成像匹配滤波器有所不相同。为了获得高的合成孔径成像分辨率,目标应置于多倍瑞利范围之外。     

显微热成像系统自适应位置标定方法

利用光学微扫描技术,可在不改变探测器结构的情况下,提高显微热成像系统空间分辨率。但为了获得高质量过采样重构图像,微扫描位置需要标定。基于零点定标,提出一种各点自适应定标的微扫描位置标定方法。模拟实际系统在定标前后的欠采样图像,采用不同重构方法进行仿真对比验证;完成了实际采集的欠采样显微热图像序列的重构对比实验。实验结果表明该方法明显改善了显微热成像系统的过采样重构图像质量,提高了系统空间分辨率。此方法还可以应用在其他光电成像系统中。     

抑制孔径间距误差影响的相干场成像质量提升方法研究

相干场成像基于激光发射孔径间距相等、频谱相等的基本假设, 迭代计算频谱重建高分辨图像, 实际应用中不可避免的激光发射孔径间距误差是影响成像质量的重要因素. 针对发射孔径间距误差造成的成像质量下降问题, 提出一种抑制孔径间距误差影响的成像质量提升方法. 首先分析了孔径间距误差对激光回波频谱和成像质量的影响机理; 推导得到了频谱误差迭代模型; 理论上构建了孔径间距误差对信号频谱和成像质量的零影响条件方程; 提出一种线性规划方法求解成像质量零影响条件方程, 得到孔径间距误差最优化分布矩阵; 实际应用中基于该最优化误差矩阵合理分配各孔径间距误差, 就可抑制孔径误差对成像质量的影响. 实验验证了该方法的正确性和有效性. 结果表明: 该方法可提升成像质量评价指标斯特列尔比近1倍; 所提方法可便捷有效地抑制孔径误差对成像质量的影响. 该研究为实际相干场系统成像质量的提升和发射阵列孔径间距精度设计提供了理论指导.     

一种2k分辨率内窥镜光学系统设计

随着光学技术以及现代医学的发展,人们对基于内窥镜的微创手术接受度日益提高,医生通过观察由内窥镜获取的病变组织图像进行诊断,因此其光学系统的成像质量至关重要。目前市场上大多数内窥镜图像清晰但细节不够锐利,该文基于Zemax设计了一款分辨率达到2k的内窥镜光学系统,使得最终成像质量更佳。通过提高物镜的相对孔径,并提供一种新的中继硬管棒镜模块及与之匹配的转接光学模块,其入瞳直径为0.6 mm,总长为388.7 mm,视场角为±37.5°,物距为26 mm时物方分辨率为32 lp/mm,物方角分辨力为17/c/(°)。考虑加工以及装配误差,进行公差分析后可知,设计的系统满足实际使用要求。     

用于校准能见度仪的标准散射体定标系统中光学系统的误差分析

为了实现用于校准能见度仪的标准散射体的快速高精度定标,依据标准散射体校准前向散射式能见度仪的校准原理,建立定标系统中光学系统的误差分析方法.分析标准散射体定标系统的工作原理,结合其光学系统、机械结构的加工及装调偏差,建立了标准散射体定标系统的光学系统模型并设计实验证明其正确性.分析影响定标系统中光学系统精度的主要误差,得到标准散射体定标系统中光学系统的误差传递模型.通过对畸变偏差、像面位置偏差、主点位置偏差、像面倾斜偏差和焦距偏差的分析,提出了一种系统综合误差分析的方法并建立了综合偏差模型,对每个偏差单独分析,得出畸变偏差、像面位置偏差、主点位置偏差、像面倾斜偏差和焦距偏差的偏差范围依次为0.024 mm,0.399 mm,0.02 mm,0.28 rad和0.392 mm.该研究为提高用于校准能见度仪的标准散射体定标系统的精度以及校准时误差的来源分析与补偿提供理论依据.     

基于天顶观测的光学系统精确标定方法

针对光学系统在实际应用中与载体坐标系协调的问题,将光学系统基准面放置于站心地平坐标系水平面上并摄取星图,对星图处理获取星像坐标,应用天体自动辨识技术和恒星视位置计算技术得到对应天体的赤道坐标,以天顶点为原点建立天球切平面基准坐标系,把星体赤道坐标转化为所对应的基准坐标,利用天顶点切平面与站心地平坐标系的对应关系,将天体基准坐标转换为站心像平面坐标,建立星体站心像平面坐标与星图像平面坐标的标定方程,解算光学系统综合标定参数。实验结果表明:标定精度达到角秒量级,实现光学系统像平面坐标系到载体坐标系的高精度转换。     

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。     

某坦克炮长镜光学系统装调技术

为了解决坦克火控炮长视场稳定激光测距瞄准镜光学系统总装过程中稳像系统Z轴精度不高、校靶范围超差、装表范围超差、三轴平行性差的问题,提出炮瞄镜光学系统总装方法,通过采用光学自准直方法,将前置镜、高精度的平面反射镜工装、长焦距平行光管以及零位仪等设备调校建立瞄准轴零位基准,使三轴（瞄准轴、激光发射轴和激光接收轴）平行性的调校达标,并保证装表、校靶等有活动范围要求的光机部件的活动范围偏差合格,实现产品一次交检合格率由原来的60%提高到95%以上,产品的稳定性和可靠性得到提升,从而确保坦克火炮的首发命中率。     

The analysis of misalignment errors of optical masks for wavefront coded passive-ranging systems

A typical wavefront coding passive-ranging system and its alignment error coordinate is introduced. Based on this, we have analyzed off-axis error, tilt error of x–y plane and tilt error of y–z plane for the plane of mask. The results show the off-axis error of mask does not affect the magnitude transfer function (MTF) of optical–digital system and the light spots will has a plane shift. The tilt error of x–y plane makes us realize that the coordinate must be selected on the basis of the optical mask plane in wavefront coded passive-ranging system. The tilt angle in y–z plane brings errors to the final ranging result. Therefore, the passive ranging system requires higher assembly accuracy between modulating plane and optical system plane. We noted that it bring errors to the final ranging result with wide field of view condition on the passive ranging system.     

基于Dyson同心系统的光线折叠式成像光谱仪优化设计

基于Dyson同心光学系统的凹面光栅成像光谱仪具有像差小、孔径高、结构简单紧凑的优点,同心结构要求光谱仪子系统的物面和像面必须重合为一个平面,且物点和像点之间距离非常小。现有的焦平面探测技术和装配技术难以满足理论设计要求。为了解决实际中物点和探测器的安置问题,对传统Dyson同心光谱仪光学系统进行了改进设计,通过在成像光束中引入离轴反射镜实现像面位置的转移。结果表明：改进后的光学系统由于成像光束发生折叠,物面和像面成功分离,且改进后系统的全波段像差得到更合理的分配。     

A novel optimization method of camera parameters used for vision measurement

Camera calibration plays an important role in the field of machine vision applications. During the process of camera calibration, nonlinear optimization technique is crucial to obtain the best performance of camera parameters. Currently, the existing optimization method aims at minimizing the distance error between the detected image point and the calculated back-projected image point, based on 2D image pixels coordinate. However, the vision measurement process is conducted in 3D space while the optimization method generally adopted is carried out in 2D image plane. Moreover, the error criterion with respect to optimization and measurement is different. In other words, the equal pixel distance error in 2D image plane leads to diverse 3D metric distance error at different position before the camera. All the reasons mentioned above will cause accuracy decrease for 3D vision measurement. To solve the problem, a novel optimization method of camera parameters used for vision measurement is proposed. The presented method is devoted to minimizing the metric distance error between the calculated point and the real point in 3D measurement coordinate system. Comparatively, the initial camera parameters acquired through linear calibration are optimized through two different methods: one is the conventional method and the other is the novel method presented by this paper. Also, the calibration accuracy and measurement accuracy of the parameters obtained by the two methods are thoroughly analyzed and the choice of a suitable accuracy evaluation method is discussed. Simulative and real experiments to estimate the performance of the proposed method on test data are reported, and the results show that the proposed 3D optimization method is quite efficient to improve measurement accuracy compared with traditional method. It can meet the practical requirement of high precision in 3D vision metrology engineering.     

基于平面互补靶标的线结构光标定系统

为提升线结构光传感器的标定效率与精度,设计了一种集成自背光可调节位姿的平面棋盘格-同心圆互补线结构光标定系统。该系统基于同心圆圆心的真实投影位置与投影椭圆圆心位置的几何关系,建立非线性优化偏心误差补偿模型,精确得到透射投影下圆心偏心误差补偿位置。该方法与传统标定方法对比降低重投影误差84.7%,有效解决了圆形标志物偏心误差补偿的高精度标定难题。通过将相机坐标系下过光心、光条中心线的平面与靶标平面结合,多次获取空间交线的坐标信息增加特征点,并使用最小二乘法拟合光平面方程,解决了因特征点少从而平面拟合标定精度较低的问题。在复杂环境下重复实验测得大尺寸砂轮外径误差均值为0.005 1 mm,结果表明该标定系统具有一定的准确性和简便实用性。     

亚象元线阵CCD焦平面的光学拼接

着重阐述了亚象元线阵CCD焦平面的光学拼接的原理、拼接的技术要求和方法,并对误差进行了详细的分析.光学拼接具有结构简单、成本低和使用灵活的优点.     

曲率半径误差对平场全息凹面光栅分辨率的影响及其补偿方法

在平场凹面全息光栅的没计制作中,不可避免的存在曲率半径误差,严重影响光栅光谱仪的分辨率.为了从理论上分析并指导光谱仪器的设计和装调,运用几何光线追迹方法计算并分析了不同曲率半径误差下光谱像宽度的变化规律,发现在一个较大的误差范围内子午焦线的位置随着曲率半径的变化前后平移,同时其弯曲程度几乎没有改变.数值计算发现通过调整像面位置或人臂长度均能够补偿曲率半径的误差.数值模拟结果显示,修正使用结构后的光栅能够达到与设计结果相近的成像质量.