二向异性鱼眼镜头理论分析与设计实现

为了提高鱼眼镜头在单机位球幕放映系统中的像素利用率,提出了二向异性鱼眼镜头的设计思想。通过理论分析柱面透镜的特性,给出了柱像散对各向度焦距的函数关系,也给出了弧矢和子午二向度共面成像的焦距配置关系;对二向异性鱼眼镜头结构进行了分析与设计,通过在镜头结构中引入柱面透镜,使之具有各向度差异化的渐变式焦距,该镜头在相同工作视场条件下,实现了弧矢和子午两向度的像高差异,形成了各向异性的映射规律。所设计的镜头光学结构中含有4个弧矢柱面和一个子午柱面,弧矢和子午向度的最大像高比为1.52∶1,且具有较高的分辨能力。利用二向异性数字鱼眼镜头构建单机位球幕电影放映系统与使用传统鱼眼镜头相比至少可提高像素利用率52%。     

球幕投影数字鱼眼镜头的光学设计

采用非相似成像原理,利用Zemax光学软件设计了一款适用于1-60 cm(0.63英寸)3LCD数字投影机的球幕投影数字鱼眼镜头。镜头结构是一种反远距型光学结构,由5组6片球面透镜组成,具有结构简单、易加工等特点。镜头全视场角为180,焦距为3.28 mm,相对孔径为1/1.9,后工作距离为35.8 mm,光学总长为196 mm。镜头具有较高的成像质量,在50 lp/mm处,各个视场的MTF值均大于0.4,最大垂轴色差为4.5 m,全视场的F-theta畸变绝对值小于3%,最大视场的像面相对照度达到96.27%。     

球幕鱼眼镜头及其点列图计算

本文讨论了视场等于180度的球幕鱼眼镜头的光学设计问题。介绍了它的应用和成象原理。球幕直径为24米。依据象差渐晕理论,追迹了一系列子午和弧矢光线以及空间光线从而可以绘制点列图。通过实例给出了有关象质信息。     

一种火炮动态性能测试系统测角精度的测量方法

在先进的火炮动态性能测试系统中,光学系统固有的畸变使得不同视场下的实际焦距不同,间接地影响系统的测角精度。使用一种基于最小二乘法的焦距标定公式,标定不同视场下统一的焦距量,能够有效地降低畸变的影响。利用该方法测得某型火炮动态性能测试系统的测角精度为2.34″,将该系统的测角精度从20″提高到5″以内。证明改进的标定公式有助于提高系统的性能指标。     

鱼眼镜头初始结构的设计

基于主光线传输方程,研究了鱼眼镜头前光组负弯月形透镜物像空间的视场角压缩比与结构参数之间的关系,并根据视场角压缩比及镜头尺寸的设计限制,初步确定前光组的结构参数。针对前光组具有平面对称光学系统的成像特性,应用平面对称光学系统像差理论计算前光组波像差;然后利用鱼眼镜头前、后光组波像差的平衡条件,求解后光组各透镜的光焦度及光学间隔;并将其作为限制条件,应用Zemax软件设计了由三块透镜组成的简单后光组系统。以该简单系统作为初始结构进一步复杂化,得到满足更大视场和孔径要求的鱼眼镜头。研究表明,所述方法为设计鱼眼镜头初始结构提供了一种新的思路,且避免了以往设计者过于依赖经验和参考专利的问题。     

非球面鱼眼镜头设计及畸变校正算法研究

提出了一种非球面鱼眼镜头的设计方法,根据全景摄像系统镜头使用要求,设计得到一款仅由三片非球面塑胶镜片和一片球面玻璃镜片组成的超广角鱼眼镜头。镜头最大成像光圈直径为15.3 mm,后工作距离为2.158mm,系统总长为11.44mm,焦距为0.97mm,视场角为210°,在60lp/mm处调制传递函数(MTF)曲线达到0.35。还构建出一种高效简单的鱼眼镜头畸变校正算法,根据镜头设计中得到的畸变曲线,应用畸变模型运用实际像点计算出理想像点位置,将鱼眼镜头拍摄的畸变图像校正为适合于人眼观看的无畸变图像。通过车载全景显示应用中实际拍摄图像及校正图像的对比,验证出该算法精准可行。     

应用场光线传递方程计算鱼眼镜头像场像差

应用场光线传递方程,从鱼眼镜头的孔径光阑处,逆向追迹场光线传递方程,确定任意视场角场光线的初始位置,即光阑球差.正向追迹场光线计算鱼眼镜头系统物、像空间视场角之间的关系曲线;用多项式拟合求出关系曲线的解析表达式.通过反演运算,根据畸变图像复原物的图像分布,达到消除鱼眼镜头成像系统畸变的目的.最后,计算了一个160°鱼眼镜头光学系统的光阑球差和图像的畸变,并应用本文方法复原物的图像分布.计算结果表明:光阑球差的计算结果与真值的相对误差小于1%;复原的物方图像径向高度相对误差小于0.25%,说明本文计算鱼眼镜头像场像差的方法是可行的.     

基于ZEMAX软件的DLP微型投影镜头的设计

 利用ZEMAX光学软件设计出了一款适用于0.55″单片DLP微型投影机的广角数字微型投影镜头。镜头结构由6组8片镜片组成,具有结构简单、体形小、易加工、成本低等特点。镜头的有效焦距为8.25 mm,相对孔径为1/2.2,全视场角为80.5°,最大口径小于24 mm,光学总长控制在40 mm,后工作距离为24 mm。镜头有较好的成像质量,在镜头的分辨率66 lp/mm处,所有视场的MTF值均大于0.45,全视场畸变量的绝对值小于0.7%,垂轴色差小于0.5个像元大小。     

多点光子多普勒测速光纤阵列耦合系统设计

设计了一种基于鱼眼镜头的高效率光纤阵列耦合系统,并将其应用于多点光子多普勒测速仪,可以在爆轰物理、冲击波物理和强激光等众多领域中开展多点测速。为满足大范围的空间光进行聚焦,设计了一款视场角为120°的大视场高分辨率低畸变的鱼眼镜头,再将光纤端面整体抛光8°角度进行阵列排布后与鱼眼镜头耦合,通过采用高精度机械零件及定心装调进行准确定位,使光纤阵列的中心与鱼眼镜头焦面重合,实现鱼眼镜头与光纤阵列的精密机械耦合。最后对所涉及的光纤机械耦合型鱼眼镜头组件的回波损耗进行了实际测量和讨论,经过验证该组件的37根光纤束每根的回波损耗大于55dB,符合设计指标要求。     

单机数字立体双通道放映镜头的光学设计

介绍了一种新型单机数字立体电影双通道放映系统,利用ZEMAX光学设计软件与人工构造相结合的方法,成功设计了一款单机数字立体电影双通道放映镜头。镜头采用特殊的离轴、三轴结构和折射式光路,由前组和后组两分结构体组成,前组包括6组7片球面透镜,后组由两个完全相同的、对称的3组4片球面透镜结构组成。镜头参数为：总长243.87 mm,最大口径93 mm,焦距20.23 mm,全视场角36°,相对孔径1/2.01;后组两副光轴的间距为8.2 mm,工作距为37.8 mm。镜头具有体积小、成本低、结构简单、成像质量好等特点。     

用于监控系统的鱼眼镜头光学设计

为了满足监控系统中单镜头可实现全景监控的需求,运用仿生学原理,在原有鱼眼镜头的基础上结合监控系统的需求,运用ZEMAX软件设计了一款视场为180°,相对孔径为1/1.6的鱼眼镜头.该镜头由9片透镜组成,总长度为68.5mm,采用1/3英寸CCD作为图像接收器件.在120lp/mm时,其MTF曲线在轴上大于0.4,在80...     

超大视场红外告警系统的成像特点分析

为了设计出适用于超大视场红外鱼眼告警系统的有效算法,对超大视场红外鱼眼告警系统所拍摄的红外图像进行分析,结果发现:超大视场红外图像中目标只表现为一个点,红外图像的背景非常复杂;对于天空背景,随着仰角的增大,其辐射亮度逐渐变小,目标的运动轨迹被弯曲,并随视场角的增大其弯曲程度越甚。从红外鱼眼镜头的设计理论出发,对系统的像面照度进行了分析,并采用美国光电工业公司的CDS100-04型黑体作为标准辐射源对分析结果进行了实验验证,结果表明:不同位置处灰度值的相对标准偏差仅为2.26%,说明该系统的像面照度是均匀的;最后,对系统的作用距离进行了分析,其作用距离约为9.6 km,基本满足实际需要。     

基于RGBW光源的舞台灯变焦透镜设计

针对目前舞台灯的光束角可变范围小、照度均匀性差等缺点,在全反射式透镜结构的基础上,基于变焦透镜组原理,设计出一种采用单颗透镜的变焦透镜系统。该系统包括准直透镜和可移动的调焦片,并且使用SolidWorks软件,依次在准直透镜的镜面上进行不规则六边形复眼圆周填充阵列和调焦片的两侧进行六边形复眼圆周阵列设计。经过光学软件LightTools仿真以及实际光照效果检测,此款透镜在匹配S2WP的全彩LED光源后,上述结构能够有效解决RGBW全彩LED光源在舞台灯照明上均匀性和混光差的难题。此外,设计出的舞台灯变焦透镜的光学效率高达87%,可在0 mm~15 mm的调焦范围内,光束角(1/2光强角)的可变范围为4°~53°。     

Automatic surveillance system using fish-eye lens camera

This letter presents an automatic surveillance system using fish-eye lens camera. Our system achieves wide-area automatic surveillance without a dead angle using only one camera. We propose a new human detection method to select the most adaptive classifier based on the locations of the human candidates. Human regions are detected from the fish-eye image effectively and are corrected for perspective versions. An experiment is performed on indoor video sequences with different illumination and crowded conditions, with results demonstrating the efficiency of our algorithm.     

用于CF-LCoS LED照明的大角度复眼系统共轭成像优化设计

根据LED发光特性以及彩色滤光片式硅基液晶芯片特性,从成像光学的角度导出了复眼照明系统的基本成像公式.在此基础上由彩色滤光片式硅基液晶芯片目标区域的大小及其对光束入射角以及LED经整形以后的光斑尺寸与发散角的要求,根据推导的复眼系统的基本成像公式计算彩色滤光片式硅基液晶芯片复眼照明系统的初始结构,利用复眼照明系统中的多重共轭成像关系,将复眼成像,中继透镜成像分别优化,最后将两者通过孔径与中间像匹配的基本要求进行复眼阵列组合,设计了基于彩色滤光片式硅基液晶芯片的大照度入射光下的复眼照明系统.该系统以较小的复眼数,在保证彩色滤光片式硅基液晶芯片照明要求的条件下,较好地解决了照明系统效率、均匀性与大角度问题.与传统计算方法相比,该方法简单明了.非成像软件的模拟结果证明该方法准确,均匀性好,效率高.实验样机结果验证了本文所提方法的正确性和有效性.     

新型大视场消杂光眼底相机光学系统的设计

设计了一款大视场、免散瞳便携式眼底相机。综合考虑接目物镜被成像和照明系统共用、人眼的像差和视度差异等因素,采用16重结构进行优化设计。设计结果的视场角达60°,分辨率为200万像素,对-8 D~+10 D(1 D=1 m-1)的人眼普遍适用,在120 lp/mm处各视场的调制传递函数(MTF)均大于0.2,畸变小于5%。为消除角膜反射产生的严重杂散光,提出采用LED环形光源改进传统科勒式照明光路,不仅保证眼底照明均匀,而且大大提高了系统的光能利用率,降低了光学系统的复杂程度。为了解决传统系统中接目物镜杂散光无法消除的难题,提出采用偏振分光棱镜代替系统中的分光镜,同时在接目物镜前端加入λ/4波片,消除了99.5%以上的由接目物镜反射产生的杂光。     

便携式投影仪投影物镜设计

针对当前投影仪光源功耗大,光投影稳定性差,系统结构大的缺点,利用Zemax软件,设计出了一款大视场,短焦距,结构紧凑,适用于便携式投影仪的投影物镜系统。经过优化处理,最终获得的结构具有良好的成像质量,在空间频率为80 lp/mm处中心视场MTF≥0.7,0.8视场MTF≥0.6,边缘视场处MTF≥0.48,畸变小于3%,满足给出的设计指标。并且在规定和要求的像元尺寸范围内能量集中度大于85%,照度曲线0.8倍视场以内整体高于90%,能量集中度高,照度均匀性好,与便携式投影仪能很好地搭配使用。     

Non-iterative spot center location algorithm based on Gaussian for fish-eye imaging laser warning system

The directional accuracy of threaten laser is highly dependent on the laser spot center location accuracy for the laser warning system. On the basis of analyzing the spot features on wide field of view (FOV) fish-eye imaging laser warning system, a refinement of existing methodology based on fitting a 2D Gaussian distribution for estimating the center of the spot is developed. The proposed procedure is using a linear least squares based algorithm to determine the best-fitting parameters of the Gaussian. However, in contrast to the standard Gaussian Fitting procedure, this new scheme gives rise to equations that are rigorously linear in the transformed unknown parameters which can be solved easily by linear least squares estimators. To validate the accuracy of the proposed algorithms, experimental approaches with a type of laser warning detector and simulated threaten laser in laboratory are used to quantify its performance. The experimental results show that this method outperforms significantly the commonly used location technique. It is less susceptible to the non-100% fill ratio of CMOS and large unsymmetrical optical aberration of fish-eye lens. The positioning precision in paraxial region and 80° incident angle region are 1/60 pixels, 1/30 pixels respectively. The biggest error is less than 1/20 pixels. The proposed method is suitable for wide FOV laser warning system for high accuracy and low computational complexity.     

Optical design and analysis of illumination system based on augmented reality北大核心CSCD

照明系统是增强现实光学系统的重要组成部分,其体积、照度均匀性、能量利用率直接影响增强现实照明系统的质量,因此在照明系统中对光源二次配光非常重要。针对增强现实系统的自由曲面透镜形式和照明系统开展研究,重点分析准直系统集光角度与体积的对应关系,在对光源准直系统的面型构建详细分析基础上,对中心透射边缘反射的折反射式准直系统的面型进行求解,结合偏微分方程法和划分网格法,设计了自由曲面透镜,该系统与偏振分光棱镜共同组成硅基液晶（liquid crystal on silicon,LCoS）照明系统。仿真分析结果表明:系统照度均匀性达到91.96%,若不计偏振影响,照明系统光学效率达到66.6%。该系统具有结构简单紧凑、体积小、质量轻、照度均匀性高等特点,满足增强现实眼镜的需求。