折/衍混合超轻小型投影式头盔光学系统设计

投影式头盔系统具有成像质量高,结构轻便等特点。分析投影式头盔光学系统设计参数的选择原则,并基于投影式物镜引入对角为1.55 cm的新型OLED显示器作为图像源,采用折射/衍射混合结构来减轻光学系统的体积和重量。通过ZEMAX软件对系统进行优化,设计得到一款质量仅1.35 g,直径11.32 mm的超轻小型三片式头盔显示器光学系统。系统中心视场MTF在32lp/mm处达到了0.52,在该空间频率下对应人眼的分辨率为1.85,′在大视场处,子午和弧矢MTF也均大于0.2,分辨率满足SVGA显示模式要求。     

头盔显示器视差自动测量中眼位点的自动对准

自动测量头盔显示器的视差时，用CCD相机取代人眼的主观读取，由于机器视觉不如人眼灵活，CCD相机在人眼观察点才能确保移动时采集的图像是完整的，从而保证全视场的视差测量。该文提出采用模式搜索法在头盔显示器光学平面内实现CCD相机自动对准人眼观察点(眼位点)，从而实现头盔显示器全视场视差的自动测量。对该自动测量系统的测量原理，以及CCD相机自动对准眼位点的实现过程进行了详细论述与说明，对测量精度与效率，对准精度与重复定位精度进行了实验分析。实验结果表明，该方法能够快速、准确、自动地对准眼位点，定位精度为±0.071°，与摆头法测量视差系统进行对比实验，全视场视差测量效率高，重复精度高。     

45°视场角投影式头盔在视空间的性能评价

提出理想透镜像距不变,通过改变其焦距来模拟人眼调节完成视空间性能评价的一种新方法.对45°投影式头盔物镜系统进行了精确的视空间评价.其MTF评价结果显示,系统在眼睛注视0°视场时可达到1 arc minute的分辨率;注视＋13.1°视场时可达到1.4 arc minute的分辨率.眼睛无论是注视0°视场还是＋13.1°视场,只有在一定的视场范围内,调节模糊和像散模糊才不会影响图像的清晰程度,且系统的横向色差和二级光谱均小于人眼的最小分辨角,不会对成像清晰度造成影响.眼睛注视＋13.1°视场时,系统的调节和调节模糊、像散和像散模糊、横向色差和二级光谱均具有明显的非对称性.此外,与改变理想透镜像距进行视空间评价的结果相比较,只有注视13.1°视场时的MTF差别较大.     

眼模型下的投影式头盔物镜设计及视空间评价

进一步完善了投影式头盔系统的视空间评价方法,应用接近实际情况的眼模型来模拟人眼对头盔物镜系统进行评价。由视空间的评价结果出发,从眼模型的成像效果反过来进一步指导头盔系统的设计工作。设计结果显示,轴上视场和大视场的调制传递函数特性良好,在轴上视场可以达到1′的人眼最小分辨角,在大视场可以达到微显示器单个像素确定的视锐度,表明此系统在视空间的分辨力满足实际使用需要。系统最大畸变小于5%,色差不会对人眼分辨产生影响。     

曲面相机阵列多分辨成像方法

针对现有成像系统因数据冗余而无法兼顾大视场、高分辨、高效性的问题,结合人眼视网膜变分辨成像和并列式复眼成像原理,设计一种多分辨率成像的复合仿生成像系统.该成像系统按照球面和平面兼顾的曲面布局方式,利用11个相机镜头构建相机阵列,组成了四个等级分辨率的子眼拍摄模块.通过物距100 m的远景实验和物距10 m的近景实验发现,该系统在实现高分辨成像的同时,获得总视场达150.8°×37.8°.多分辨率成像实验结果表明,该系统获取的图像的分辨率从中心视场到边缘视场逐渐降低,并且相较于中心清晰全视场成像,四级分辨率成像的拼接图像数据量减少了17.2倍的数据冗余.     

开环双脉冲液晶自适应光学视网膜成像系统

为了获得高分辨率视网膜图像,利用液晶空间光调制器作为波前校正器建立了一套开环液晶自适应光学视网膜成像系统。与闭环模式相比,采用开环模式后,系统的能量利用率提高了1倍。系统采用双脉冲照明方式,以减少人眼曝光量,保护人眼安全。在照明光学系统中加入了大小视场切换装置使成像视场由之前的0.8°增至1.7°。同时优化了系统的时序控制流程,对人眼像差连续校正的同时快速调节成像相机的前后位置至最佳像面。对于开环模式对动态人眼像差的校正精度进行了测量,实验测得,经开环校正后,残差波面的均方根值约为0.09λ;相应的斯特雷尔(Strehl)比高于0.70,系统分辨率接近光学衍射极限的分辨率。对两名志愿者进行了实验,获得了清晰的眼底视网膜细胞图像。     

自由曲面机载头盔显示器光学系统设计

为了解决传统头盔显示器大出瞳距、大视场与轻型化、小型化间的矛盾,采用径向基函数表征自由曲面设计了一款头盔显示器光学系统。详细论述了径向基函数表征自由曲面的原理,分析了光学系统像差校正方法。在设计中,尝试了一种方法来快速地确定优化起点,分析了该光学系统的成像质量。该光学系统的视场为45°×32°,出瞳大小为15mm,出瞳距为50mm。在奈奎斯特频率处,全视场的调制传输函数(MTF)值大于0.6。在(-22.5°,16°)视场处有最大畸变值-1.54%。系统尺寸56mm×128mm,重量136g。优化设计结果表明,该全息头盔显示光学系统像差小,可以较好地为使用者提供清晰的字符信息或者视频图像。该头盔显示光学系统成像质量好,体积小重量轻,可以应用于新一代机载头盔显示技术。     

头盔显示器中折射/衍射塑料光学系统设计

研究了塑料透镜在头盔系统中的应用,设计了全塑料(聚甲基丙烯酸甲脂-PMMA)头盔光学系统.引入衍射面,利用其负色散性和波面任意整形特性消除系统色差及改善波前像差.图像源发出的光束在分束器附近成中间像,可增大系统视场;出瞳在中继透镜组中间成像,可减小系统口径,增大出瞳直径.该系统镜头部分重量仅为6 g,目视系统中需重点校正的像散和垂轴色差的最大值分别为0.44 mm和20 μm,最大畸变为2.5%;系统最小角分辨率为0.9 mrad,视场为40°(H)×30°(V).     

基于透镜畸变效应的仿人眼扫描系统设计

仿人眼扫描具有旋转与尺度不变性、背景信息压缩及变分辨率信息采集等优点,但传统的仿人眼扫描方法存在系统结构复杂、扫描速度慢等缺点,提出一种基于透镜畸变实现扫描环增长,采用阿贝棱镜旋转实现对目标视场扫描的仿人眼扫描方法。利用透镜畸变对不同视场下入射光斑进行放大,进而实现仿人眼光斑结构。通过物像关系求解透镜初始参数,将仿人眼扫描光斑的环间增长系数作为透镜畸变优化目标函数,对透镜参数进行非球面优化,获得透镜结构参数。设计的仿人眼扫描系统焦距为14.24 mm,工作距离为25 mm。仿真结果表明:入射高度为20 mm的1×16线阵激光能够对直径为27.66 mm的像面实现16环仿人眼扫描,扫描光斑的最大环增长系数为1.08。相比于传统仿人眼扫描方式,此文提出的方法具有成本低、结构简单、扫描速度快等优点。     

远距离成像汽车平视显示光路结构设计

针对汽车AR-HUD显示虚像视距更远、虚像视场角更大的需求,采用自由曲面离轴反射光路结构,设计了一种焦距为-309 mm,虚像视距为7.5 m,虚像视场角为9.8°×5.5°的虚像显示光路。为保证驾驶员观察到的虚像的清晰度,结合人眼典型分辨角为1′,源图像显示模块采用分辨率为854×480 pixel的背投式DLP微投影系统。将人眼与虚像显示光路作为整体进行设计,使用Eyebox(孔径光阑偏移范围)模拟驾驶员眼睛活动范围,对于不同的孔径光阑位置,该光学系统的虚像面在奈奎斯特空间频率0.33 lp/mm处,中心视场MTF值大于0.6,全视场MTF值大于0.3。此外,使用蒙特卡罗方法对该系统取不同入瞳位置时进行了初步公差分析,系统90%的MTF值大于0.49,表明该系统容差能力较强。     

基于单次曝光光场成像的全焦图像重建技术

为了实现大景深信息全焦面高质量成像,提出了基于单次曝光光场成像的导向滤波全焦图像重建技术:结合光场成像采集视场信息,并采用光场重建的方式获取多聚焦图像源集,利用导向滤波的方法确定各级图像融合权重,进行图像融合得到大景深的全焦图像。实验证明,提出的基于单次曝光光场成像的导向滤波全焦图像重建技术不仅有效保证了多聚焦图像背景的一致性,同时还具有更好的边缘保持效果,从而获得了清晰度更高、综合成像质量更好的全焦图像,因此该技术有望用于现场监控、地理勘探、军事侦察以及无人驾驶等众多领域中。     

双小凹光学成像系统设计

随着科技发展, 如何解决大视场和高分辨率之间的矛盾成为了众多科技人员的研究重心之一, 本文提出了双小凹成像系统的概念, 在传统仿真人眼的单小凹成像系统的基础上, 通过引入反射式液晶空间光调制器对光学系统进行两个视场内波像差的调制, 改善对应的像差, 从而实现了大视场内低分辨率成像的条件下, 在两个特定的视场内满足高分辨率成像, 因此可解决大视场和高分辨率的矛盾.本文通过设计一个参考波长为587 nm, 视场为60° (即± 30°),F数为F/8, 焦距为60 mm的双小凹光学成像系统, 并利用CODE V软件模拟仿真实现了5°和17°双视场高分辨率成像, 其余视场低分辨率成像, 并以32×32的采样分辨率计算了该系统的衍射效率, 验证了设计方法的科学性和准确性.     

光学元件表面缺陷的显微散射暗场成像及数字化评价系统

根据国际ISO10110-7的表面缺陷标准及惯性约束聚变(ICF)工程标准,提出了一种新颖的光学元件表面缺陷的光学显微散射成像及数字化评价系统,多束光纤冷光源呈环状分布并以一定角度斜入射到数毫米视场的被检表面,形成适合数字图像二值化处理的暗背景上的亮疵病图像。对X,Y两方向进行子孔径图像扫描成像,利用模板匹配原理对获得的子孔径图像进行拼接得到全孔径表面疵病图像信息。基于数学形态学建立了可用于大口径表面检测扫描的图像处理的模式识别软件体系,并应用二元光学制作了标准对比板,以获得疵病正确的评价依据。最终利用该变倍光学显微镜散射成像系统得到能分辨微米量级表面疵病的图像,其单个子孔径物方视场约为3 mm,对X,Y两方向进行5×5子孔径图像扫描成像,并给出了与标准比对的定量数据结果。实验结果表明,本系统完全可以实现光学元件表面缺陷的数字化评价。     

超宽视场离轴光学系统畸变一致性校正技术

为满足海岸带超宽视场和高分辨率的动态监测需求，高分辨率宽覆盖已成为空间光学遥感器的重要发展趋势。HY-1C/D卫星海岸带成像仪采用两台相机组合的方式实现大幅宽，单台相机是32°超宽视场离轴光学系统，相机存在弧形畸变且畸变较大。研究了超大视场离轴光学系统畸变一致性校正技术，提出“多变量仿真-高精密测量-交互迭代”的装调方法，开展了兼顾像质、视轴、畸变的多变量全链路仿真计算，通过高精度畸变测量系统实现了畸变补偿的交互迭代调整，解决了镜头装调阶段畸变不可控的难题，实现双台相机畸变一致性控制精度优于0.1%，完全满足测试技术要求，结果表明方法合理可行。     

Microscopic scattering imaging measurement and digital evaluation system of defects for fine optical surface

According to ISO10110-7 and the engineering standards of Inertial Confinement Fusion (ICF), this paper presents a microscopic scattering imaging and analyzing system which allows one to automatically evaluate defects in random distributions and shapes on the surface of fine optical components of large aperture. The annularly disposed multi-beam fiber light sources illuminate the target surface with a special angle. The image, which has bright defects on black background, is suitable for digital image processing. With XY-scanning system, the defect information of full aperture can be obtained by stitching the sub-aperture image array, according to the algorithms of template matching. The full aperture image is divided into N × N sub-apertures, each of which has view field of approximate 3 mm × 4 mm. Image processing software for image recognition has been established using mathematical morphology with high computing efficiency and friendly graphics user interface. A group of standard reticules fabricated by binary optics can scale defects for calibration. As a result the lateral resolution of the system is better than sub-micrometer while the total view field can be hundreds of millimeters. The comparison quantitative data results between the experiment and standard demonstrate the system is competent for the digital evaluation of defect characterization of fine optical surfaces, especially for the ones with large aperture.     

适用于激光聚变实验的短焦距高放大倍率Wolter显微镜设计

围绕内爆压缩及阻滞阶段相关物理实验的诊断需求,提出了一种满足阿贝正弦条件的短焦距高放大倍率Wolter-Ⅲ型X射线显微镜的光学设计。详细介绍了Wolter-Ⅲ型显微镜的结构特点和设计方法,与Wolter-Ⅰ型相比可以通过将主平面向靠近物点方向移动的方式减小系统焦距,从而获得更大的放大倍数,实现显微镜与探测器的像质匹配,提高诊断系统的空间分辨。由光线追迹可以得出,在±190 μm的视场范围内,空间分辨率优于3 μm;在±240 μm范围内分辨率优于5 μm;在±300 μm范围内分辨率优于8 μm,几何集光立体角约为5×10?6 sr。     

自动聚焦系统中聚焦窗口的选择及参量的确定

在使用图像分析进行自动聚焦时,聚焦的准确性和有效性至关重要。聚焦窗口过大不仅增加计算量,且背景图像太多会引起误判;窗口太小则会导致目标偏离窗口,亦会引起误判。深入研究了聚焦窗口的选择问题,提出了一种新的选择方法,有效解决了上述问题。引入非均匀采样,可以保证中央的高分辨率和较大的视场范围,既保证目标图像位于聚焦窗口之内,又显著减小了背景图像的负面影响。同时对采样参量做了进一步的研究,以获得更好的效果。实验结果表明该方法有效提高了对焦的准确性和有效性而且减少了数据量,没有影响系统的实时性。     

High-resolution imaging using Hadamard encoding

High-resolution imaging techniques using noninvasive modalities such as magnetic resonance (MR) imaging are being pursued as in vivo cancer screening techniques in an attempt to eliminate the invasive nature of surgical biopsy. When acquiring high-resolution MR images for tissue screening, image fields of view have in the past been limited by the matrix sizes available in conventional MR scanners. We present here a technique that uses aliasing to produce high resolution images with larger matrix sizes than are currently available. The image is allowed to alias in both the frequency encoding and phase encoding dimensions, and the individual, aliased fields of view are recovered by Hadamard encoding methods. These fields may then be tiled to obtain a composite image with high spatial resolution and a large field of view. The technique is demonstrated using two-dimensional and three-dimensional in vivo imaging of the human brain and breast.