大视场二维扩瞳全息光栅波导设计与加工

为扩大体全息光栅波导的出瞳直径和视场,提出了二维扩瞳和视场扩展的两重体全息光栅波导设计方法。该波导结构的出耦合光栅由两个两重体全息光栅构成,用于实现二维扩瞳。将入射视场分为两条路径传播,每条路径负责一半的视场,最后将两部分视场拼接形成完整视场。该方法不仅扩大了出瞳直径,还有利于增大全息波导系统的视场角。介绍了二维扩瞳视场扩展的光学原理和设计方法,最终实现的系统水平视场为48°,垂直视场为27°,出瞳尺寸为16 mm×13 mm。实验结果验证了所提方法的可行性。该方法在扩瞳的同时有助于扩展视场角,为头戴近眼显示设备提供了具有前景的有效方案。     

全景三维立体头盔显示光学系统设计

为了满足全景三维立体头盔显示器(HMD)对大视场(FOV)、小畸变、高分辨率以及轻量化的要求,设计了全景三维立体HMD的目视光学系统。采用4×3阵列式排列的12组相同的FOV角为33°×24°的高质量成像的目镜光学系统拼接成单眼目视光学系统,实现系统的大FOV设计。利用二元衍射面和非球面校正目镜光学系统的初、高级单色像差以及色差;使用有机光发射二极管(OLED)微显示器作为图像源,设计结果表明:单眼目视光学系统水平FOV达到120°,垂直FOV为60°,角分辨率为43pixel/(°);传递函数在45lp/mm处轴上FOV高于0.68,周边FOV高于0.45,系统畸变小于0.2%;系统的双目FOV为160°×60°,双目FOV重叠为80°×60°,系统重量约为91.2g。系统设计满足头盔显示光学系统的成像要求,并且实现了系统的轻量化以及低成本。     

基于自由曲面的离轴两反头戴显示光学系统设计

头戴显示系统在现代教育、医疗和娱乐等领域具有广泛的应用,离轴反射式头戴显示光学系统是头戴显示系统的一种设计形式,既能满足小型化和结构紧凑的需求,又能实现宽光谱成像,无需校正色差;然而,现有离轴反射式头戴显示光学系统的设计难以满足大出瞳直径和小F数相兼容的要求。针对该问题,提出基于光学自由曲面的离轴两反头戴显示光学系统,实现了大出瞳直径和小F数。该自由曲面头戴显示光学系统分别采用双曲率基面自由曲面和XY多项式自由曲面,出瞳直径为10mm,F数为3.0,视场角为28°,出瞳距大于15mm。该系统的成像性能满足要求且优于现有设计结果。     

基于双重体光栅的波导显示系统视场扩展研究

体全息波导显示系统的视场角受限于光栅衍射响应带宽,无法满足人们对大视场显示的需求。为扩展波导显示视场角,基于严格耦合波理论模型分析了波导显示视场角的影响因素,进一步提出了一种可有效扩展衍射响应带宽的双重体光栅波导结构,通过变角度分次曝光法完成光栅制备,并搭建全息波导显示系统。成像结果表明,该显示系统的水平和竖直视场角可分别扩展至33.4°和22.6°,对角线视场角为40.3°。     

超短焦偏振折反射虚拟现实镜头设计方法

超短焦偏振折反射虚拟现实（VR）镜头是新兴的近眼显示光学解决方案，能满足用户对大视场、大出瞳和高清晰度的需求。本文详述了超短焦偏振折反射VR镜头的光路原理，说明了偏振折反射VR光学方案相较于传统VR光学方案的优势，并研究了低应力镜片的设计方法。为增加设计自由度，提出将非球面转化为环形拼接非球面，并介绍了拼接非球面的数学描述与优化策略。针对不同视场的像质差异问题，引入了像质自动平衡优化算法。采用上述方法先后设计了47°视场角和96°视场角的两款超短焦偏振折反射VR镜头，在像质平衡优化后，全视场调制传递函数值较采用普通非球面的系统提升了0.35以上。研究结果证明了环形拼接非球面在VR镜头设计中的可行性与高自由度优势，并体现了像质平衡优化算法的实用性。介绍了超短焦偏振折反射VR镜头的研发流程，原理样机的测试结果验证了该光学系统的良好显示性能。本文提出的设计方法对VR近眼显示设备的高清化与轻量化发展具有指导意义。     

基于变形目镜和OLED的全景周视成像与显示技术

在车载、舰载等运动载体或单兵警戒值守等狭窄空间,传统显示方法难以兼顾显示视场与显示分辨率。针对该问题,本文研究了一种基于变形目镜的全景/周视成像技术与系统。系统采用3路低照度摄像机+4 mm焦距镜头,构成150°左右的全景成像视场,基于FPGA处理平台完成全景图像解析、拼接、校正和显示等算法,实现视频图像大视场拼接与1/3缩放实时显示;由OLED微显示器、变形目镜组和大目镜组成的显示系统使视频图像横向扩大3倍,实时显示全景高分辨动态场景图像。实验系统对全景成像显示技术进行了验证,在军用和民用领域具有广泛的应用前景。     

红外双波段共焦复合孔径光学系统设计

为满足光电成像装备多元、广域、远距离探测的需求,提出了双波段复合孔径光学系统的概念。采用主副孔径配合探测搜索的方式,其中主孔径用于远距离探测,副孔径用于大视场搜索,并分析主副孔径与中继系统拼接函数以推导复合孔径共焦面方程,从而保证不同波段图像采集的同步性和一致性。设计的红外双波段复合孔径光学系统成像波段为3.7～4.8μm和7.7～9.5μm,复合孔径系统由5个子眼（1个主子眼和4个副子眼）构成,主孔径焦距为200 mm、视场角均为±6°,副孔径焦距为50 mm、视场角均为±12°,主副孔径光轴夹角为6°,合并后的总视场为24°。相对于均一型复合孔径系统而言,该系统兼具了远距离探测与大视场搜索功能,主副孔径系统与中继接收系统成像质量良好,在-40～60℃温度范围内无热差影响。     

一种可实现收发一体连续扫描的微透镜阵列

设计了一种可实现收发一体连续扫描的微透镜阵列,该三片式微透镜阵列以加入场镜的开普勒望远结构为原型,通过微透镜阵列之间的微小横向位移进行接收视场的选择与发射光线的同步偏转,完成扫描光学系统对大视场区域的光束收发。设计约束望远镜的视觉放大率为1,即入射和出射端口的微单元通光孔径相等,从而实现收发共用且不会造成能量损失和串扰。利用ZEMAX光学设计软件,采用发射、接收端口单独设计然后拼接的方法搭建模型。微透镜阵列工作中心波长为1 064 nm,凝视视场为±1.06°,扫描视场为±10°,单元规格为1 mm×1 mm,且只需移动一片即可实现双向扫描,具有体积小、扫描角度大、灵敏度高等优点。     

轻量化头戴显示器光学系统设计

虚拟现实头戴显示器(HMD)的光学系统应具有较大的视场角和出瞳,同时应具有重量轻和厚度薄的特性,从而适应人体的佩戴需要。为了同时满足这些要求,详细描述了一种基于初级像差理论的头戴显示器光学系统设计方法。根据这个方法,用两种聚合物材料聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚碳酸酯(PC),设计了双片式的头盔系统,其出瞳直径为8 mm,视场角为70°。系统总长小于70 mm,镜头的总质量小于30 g。全视场相对照度大于0.4,其轴上像差和轴外像差都得到了有效校正,边缘视场点列图光斑半径在70μm左右,各个视场的调制传递函数(MTF)曲线分布较为均匀,同时中心视场和边缘视场的MTF值在8 cycle/mm处分别为0.6和0.4左右,最大畸变小于2%,实际加工的系统对标准分辨率板的成像像质能够满足使用要求。     

基于神经网络的虚拟靶标大视场双目相机标定技术

针对大视场双目相机标定中的精度低和非线性畸变问题,提出了一种结合BP神经网络的大尺寸虚拟靶标标定技术。鉴于单角点棋盘格具有易制作、高精度的特性,构建大尺寸虚拟靶标;利用神经网络的非线性映射能力直接建立角点的像素坐标和世界坐标映射关系;用建立的映射网络对测试样本进行三维重建,并与传统的线性标定方法进行对比实验。结果表明,该方法操作简单,且重建距离相对误差为0.92%,优于传统的线性标定方法,可用于大视场双目相机标定。     

基于个性化人眼模型的大视场波像差特性的研究

大视场波前像差对人眼光学系统的影响不容忽视。运用Zemax光学设计软件分别为8只正常人眼构建了个性化的人眼模型,该人眼模型由实际测量的人眼波前像差数据、角膜地形数据及眼内各部分轴向间距数据优化得来,与个体人眼具有相同的光学特性。在此基础上,分析了人眼颞侧方向0°,10°,20°,30°,40°,50°视场的离轴像差随视场角的变化趋势,得出边缘视觉比中央视觉质量差主要来源在于像散与彗差。四阶以上的高阶像差随着视场角的改变,变化不大。将个性化人眼模型计算得到的大视场波前像差值与用哈特曼夏克(Hartmann-Shack)波前传感器实际测量得到的人眼像差值相比较,两者结果相吻合。     

基于双层微透镜阵列的移动视差式立体显示屏

受限于微透镜的数值孔径和像差问题,目前移动视差式立体显示屏存在多视场空间、视场区之间存在视场跳变、主视场空间角度小、显示效果模糊等问题.本文基于离散采样思想,分析了移动视差型三维显示系统的工作机理,结合加工工艺,设计了复合曲面反射层的双层微透镜阵列屏.仿真结果表明:所设计显示屏的视场观看空间角可提升到60°,相对于传统的三维显示屏,双层微结构显示屏可有效提高视场角和显示性能.     

基于位姿约束的大视场双目视觉标定算法

为了提高大视场、远距离的双目摄像机标定精度,提出一种基于位姿约束的摄像机标定算法。该方法利用双目摄像机之间的三维位姿关系是刚体变换这一属性,标定出左、右摄像机相对位姿的外部参数。利用相对位姿为约束条件求取摄像机的初始内部参数,剔除较大的重投影误差值对应的标定图像组,重复迭代直至重投影误差平均值小于指定值,得到多个待优化的摄像机内部参数。再将最后标定图像组的角点坐标、待优化的摄像机内部参数和相应的外部参数,建立一个以角点三维重构坐标值与实际设定角点三维坐标值的模均值为最小的目标函数,求解出双目摄像机标定参数的最优解。该方法很好地解决了误差大的标定图像造成的影响,且充分利用了双目摄像机之间的位姿约束关系。通过仿真和标定实验可以看出,本文方法可以实现大视场双目摄像机的高精度标定。     

超大视场长波红外立体视觉外部参数标定及内外参数评价

在红外光谱中,大气对不同波长辐射透过率不同,透过率较高的波段范围称为大气窗口。为在大视场角范围内探测目标在长波红外光谱的辐射,弥补传统可见光相机在复杂环境下不能探测目标的缺陷,超大视场长波红外相机应运而生。相比于传统可见光相机,超大视场长波红外相机覆盖视场大,能够用于夜间、烟雾等复杂环境,具有一定穿透效果。双目超大视场长波红外立体视觉系统可用于车辆夜间辅助驾驶,军用无人化作战平台全天候信息侦察等领域。作为实现立体视觉的第一步,标定的准确性严重影响立体视觉中物体三维重建精度,因此提高标定准确性是立体视觉研究中的关键问题。标定目的是求出立体视觉成像的内部参数和外部参数,内部参数描述相机镜头成像的物像关系,外部参数表示两个相机之间的相对位置关系。但超大视场长波红外相机成像畸变严重、分辨率低、图像对比度低,对立体视觉标定造成极大困难。为准确标定超大视场长波红外立体视觉外部参数,在Scaramuzza通用相机模型基础上提出了一种基于最小二乘法的外部参数标定方法;为评价内外参数标定结果准确性,以常用单目角点重投影误差评价内部参数为基础,引入外部参数,提出一种双目角点重投影误差评价方法。为验证方法有效性和准确性,使用主动红外辐射标定板生成角点,分别采用视场角(FOV)为180°和210°的两组双目超大视场长波红外相机,在不同位置上进行标定实验。实验结果显示,常用的Bouguet方法双目平均重投影误差(BMRE)在0.782～0.943 pixels,而基于最小二乘法方法BMRE处于0.620～0.754 pixels,实验数据表明该方法有效降低了双目角点重投影误差,提高了外部参数标定准确性。此外,评价方法操作简便、客观准确,避免在评价过程中对物点三维重建从而引入额外误差,并且不需要高精度三维坐标测量设备。     

基于大视场人工复眼定位技术

针对大视场目标探测提出了一种基于人工复眼大视场定位方法.通过分析子眼视场角与总视场角之间的关系,并结合多目视觉定位对子眼排布方式的要求,研究了包含多个子眼的人工复眼结构设计方法.通过分析子眼图像与三维空间映射关系,对二维图像进行裁剪并映射于三维立体空间,实现了二维子眼图像在三维空间的大视场拼接.利用子眼图像坐标、空间三维坐标及系统参数间的关系,建立了空间点多目定位数学模型,并编制目标定位算法.制备了包含19个子眼可实现120°大视场角的样机,通过张正友标定法获得系统参数,并进行目标定位实验.实验结果表明,使用设计的人工复眼大视场成像系统对5.35m处目标进行探测,定位误差为0.19%.     

双目色调消除现象的实验研究

立体显示、虚拟现实及头戴设备的应用研究需要对人眼视觉双目特性做更深入的研究。阈值测量是研究视觉感知特性的方法之一，人的左右眼分别观看不同的颜色，且双眼观看的颜色色差不超过双目颜色融合的阈值时，可能会感知到灰色，也就是发生了双目色调消除现象。为了研究这种特殊现象，本文设计了视觉心理物理学实验，在CIELAB颜色空间中研究双目融合范围内能够感知到灰色现象的对立颜色方向和色差阈值，并将实验结果分别在LMS、MacleodBoynton、DKL等颜色空间中表示，为进一步研究人眼特性及双目颜色机理提供实验数据。     

基于视场拼接的全视差三维显示系统

提出了一种新的基于视场拼接的全视差三维显示方法及图像生成方案.系统核心部分由一个微投影机阵列、一个反射光路和一个散射屏组构成,图像生成方案采用基于OpenGL的算法实现.为了验证所提出的基于视场拼接理论的正确性,利用液晶显示器、菲涅耳镜组、定向散射屏和背投式反射光路搭建了实验样机.该装置可以在更紧凑的系统结构下显示包括横向视差和纵向视差在内的三维图像,并且通过图像生成算法的配合实现了动态三维显示效果.     

基于视场拼接的全视差三维显示系统

提出了一种新的基于视场拼接的全视差三维显示方法及图像生成方案.系统核心部分由一个微投影机阵列、一个反射光路和一个散射屏组构成,图像生成方案采用基于OpenGL的算法实现.为了验证所提出的基于视场拼接理论的正确性,利用液晶显示器、菲涅耳镜组、定向散射屏和背投式反射光路搭建了实验样机.该装置可以在更紧凑的系统结构下显示包括横向视差和纵向视差在内的三维图像,并且通过图像生成算法的配合实现了动态三维显示效果.     

TDICCD的视场拼接

CCD拼接技术是一种能够有效满足CCD相机视场覆盖宽度要求的专用技术。CCD的视场拼接可用于反射式光学系统,不会引入附加的色差。TDICCD是一种新型的、可在低照度环境下成像的器件,其结构与普通的线阵CCD完全不同。介绍了TDICCD的视场拼接技术,并根据TDICCD的结构和成像特性,对TDICCD的视场拼接进行了分析。结果表明,在吸收和借鉴光学拼接工艺和操作经验的基础上,完成了对TDICCD的视场拼接工作,使视场拼接精度达到了设计要求。     

基于自由曲面的大视场空间相机光学系统设计

运用自由曲面设计一款大视场离轴三反光学系统,该系统焦距为2 000mm,F数为12,视场角为35°×1°,主镜和三镜采用XY多项式自由曲面设计,且主镜设计为凸面,使子午视场达到35°,进一步拓宽了成像视场.基于优化后的XY多项式系数,利用Matlab软件仿真出主镜和三镜的XY自由曲面面型.设计结果表明,全视场内该系统的光学传递函数在63lp/mm处优于0.4,弥散斑直径小于一个像元尺寸,最大相对畸变小于3%,波像差均优于λ/14,系统能量集中度高,成像质量接近衍射极限.可见自由曲面在提升离轴反射式光学系统的成像视场和成像质量方面具有很大优势,该系统克服了传统离轴反射式光学系统子午方向视场角小的缺点,适合大幅宽推扫成像.