基于信息量的眼镜镜片光学性能评价北大核心CSCD

针对眼镜镜片成像性能评价,根据信息论的概念,对物面与像面图像进行小波变换分解得到多个不同子频带图像,计算分解之后的各个子频带的区域互信息值(RMI)。依据人眼视觉系统对不同频率光学信号敏感度不同的特点,采用小波滤波器和人眼模型的MTF的空间频段积分比反映人眼对不同频率信号的敏感程度,以该积分比作为各频带RMI的权重系数,加权计算得到MRMI值。选取了目前市场上六款不同阿贝数和折射率的镜片进行测量实验,得到每款镜片的成像MRMI值,其定量反映了镜片的成像性能,与人眼视觉主观感知相符。     

渐进多焦点镜片光学系统MTF评价的仿真分析

针对渐进多焦点镜片的评价问题,提出了利用像质评价参数MTF对渐进多焦点镜片进行客观评价,通过对镜-眼联合光学系统的MTF理论仿真分析来评价渐进多焦点镜片的成像质量。考虑了人眼在实际视物时须有一定的转动角度与实际佩戴镜片的2个特征:镜面角与倾斜角,将装配镜片时的倾斜角与镜面角设定为0～10°;将人眼视物时的转动角度,在戴镜的情况下设定为±20°,表现为视远区、过渡区与视近区;将人眼视物时的清晰成像的较大视场设定为±5°。利用光学设计软件对6只渐近多焦点镜片中的6个典型区域进行分析,结果表明:像散主要由子午光束与弧矢光束没有汇聚在一个点上造成的,而渐进多焦点镜片的焦点呈渐进变化,其表面为非旋转对称的复杂表面,镜片的像散不同,其改变佩戴角度后会对成像质量造成一定影响。佩戴角度中的倾斜角对镜片MTF值的影响比镜面角对镜片MTF值的影响大。实际佩戴角度在不同视场下会对渐进多焦点镜片的成像质量造成一定的影响,利用像质评价参数MTF来评价渐进多焦点镜片时应将其考虑在内。     

应用波像差理论计算Kirkpatrick-Baez系统的调制传递函数

调制传递函数（modulation transfer function,MTF）曲线可以客观地评价光学系统的成像性能。基于平面对称光学系统的波像差理论,给出了Kirkpatrick-Baez（KB）显微镜光学系统主要像差的波像差计算表达式,采用自相关法,通过Gauss-Legendre数值积分求解并绘制了KB系统的MTF曲线,且与光学分析软件的MTF曲线进行对比。结果表明:应用波像差理论计算调制传递函数不仅可以定量直观地分析KB系统的成像性能,而且能进一步解析光学系统的单项像差分布情况,提供更具针对性的系统优化方案。     

动态MTF的数值计算与分析

受振动的影响,在积分时间内,光学系统成像是一个动态过程.对于动态成像,常采用动态调制传递函数(MTF)作为评价振动对像质影响的工具.针对动态MTF,提出一种适用于任意运动形式的数值计算方法,该方法还可以扩展到计算二维运动时的动态MTF.该方法可用于预估和评价动态成像系统的成像质量,计算的结果还可用于运动模糊图像的仿真与...     

波前编码系统景深延拓性能研究

波前编码景深延拓技术是在非相干光学系统的出瞳处加入三次位相板,对成像进行解码处理而获得清晰图像以扩大光学系统景深的技术.文章通过深入研究波前编码光学成像系统的调制传递函数(MTF),分析离焦量和位相板的调制系数对MTF的影响,并通过数值计算和曲线拟合得到位相板调制系数、系统带宽、景深延拓性能之间的关系.该研究成果为位相板的调制系数的选择和景深延拓光学系统的设计提供依据. 关键词： 波前编码 景深延拓 调制传递函数 三次位相板     

一种基于针孔像分析的光学系统调制传递函数测量的自适应背景校正方法

提出了一种基于针孔像分析的光学系统调制传递函数(MTF)测量自适应背景校正的方法。由CCD显微系统采集针孔目标经被测光学系统成像后的针孔像,计算线扩展函数,并对其进行自适应背景校正,获取MTF。该方法与传统方法相比,消除了周围环境光照变化的影响,提高了测量精度。为验证所提方法的有效性,对标准镜头进行MTF测试,将测试结果与理论设计值比对,测试结果差异极大值为0.01;与美国Optikos公司的测试结果比对,测试结果差异极大值为0.015;对大像差光学系统的轴上和轴外进行MTF测试,并将测试结果与美国Optikos公司测试结果比对,测试结果差异极大值为0.013。实验表明,该方法可满足对不同像差光学系统轴上和轴外MTF的测量。     

改进型Czerny-Turner成像光谱仪光学系统设计方法

像散是目前影响Czerny-Turner结构成像光谱仪空间分辨率最大的像差。首先引入柱面反射镜,利用光焦度衡量像散大小,推导出易于计算的像散校正公式,有效地校正了像散。给出准直镜到光栅距离的计算方法,有效校正了成像光谱仪边缘视场像差。给出了成像光谱仪像面倾角的计算方法,实现了宽波段的像差校正。最终利用上述方法设计了一套用于115～200nm的改进型Czerny-Turner成像光谱仪,焦距f′=48mm,F数为5.0,全视场、全波段调制传递函数(MTF)在0.7以上。全波段光谱分辨率为0.22nm,像面大小为8mm×7mm。设计方法适用于多种结构要求的成像光谱仪。     

红外热像仪扫描器光学系统MTF的数字傅里叶法测量

介绍使用数字傅里叶分析法对红外热像仪扫描器光学系统MTF进行测量的方法，分析与修正系统各部分的MTF对扫描器MTF的影响，从而能够较为客观、准确地评价扫描器的光学成像性能。     

近红外宽波段下的Czerny-Turner结构复合方法消像散设计

针对Czerny-Turner结构光谱仪宽波段像散很难同时校正的不足,提出了一种复合方法校正像散,即在一阶消像散方法校正宽波段像散的能力达到极限时,加入柱镜,利用柱镜的相反像散变化趋势,进一步补偿光学系统的剩余像散,推导出复合方法的边缘波段像散补偿公式。应用复合方法,设计了1个近红外900~1700nm的消像散Czerny-Turner结构。Zemax的仿真结果表明,全波段全视场均方根(RMS)值均小于14μm,调制传递函数(MTF)达到0.7以上,全波段的光谱分辨率为1.5nm。保证了在高光谱分辨率的情况下,实现了近红外800nm宽波段像散的同时校正,避免了能量的横向扩散。该设计方法同样适用其他波段的结构设计,对宽波段消像散型光学系统的设计具有指导意义。     

微透镜阵列加工误差对光学性能的影响

研究了微透镜阵列加工误差对光学系统成像性能的影响规律,寻求利于改善光学性能的面形误差分布。对面形误差与波前像差之间的转换矩阵进行建模,使仿真与计算的波前像差达到纳米级的误差精度,选用具有正交性的Zernike多项式作为光学和机械的接口,表示加工后光学表面的面形误差,并分别作为干涉图数据引入到已设计的子眼透镜表面,量化分析不同位置下畸变、点列图、点扩展函数(PSF)、调制传递函数(MTF)的改变情况。分析结果表明相同形状分布下,面形精度峰谷(PV)值对光学系统畸变和MTF的影响呈现递变规律,并且点扩展函数的二维分布与视场位置存在明显的对应关系;相同面形精度下,向左和中心对称分布的面形误差使得畸变、点列图和MTF在一定相对位置得到改善,而降低了其他相对位置的光学性能。综合考虑各光学参数的变化情况,向右对称分布的面形误差分布对于改善光学系统成像性能有利,为实现成像质量的可控超精密加工制造提供了理论基础。     

红外双谱段傅里叶变换成像光谱仪光学设计

提出了一种基于静态干涉系统的中长波红外双谱段时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS),分别对前置望远系统及后置成像系统进行了设计。根据像差理论,通过添加约束的方式计算了反射式前置望远系统的初始结构,通过光学设计软件优化,矫正了系统中倾斜分束器和补偿器带来的大数量级像散和彗差;在中波和长波双谱段范围内,前置系统的调制传递函数(MTF)均接近衍射极限。该光谱仪的两个后置成像系统均采用透射式结构,点列图结果显示,后置系统成像像斑均方根(RMS)值在双谱段范围均小于7.0μm。将前置望远系统和后置成像系统进行对接,最终得到了视场角为1.5°,中波通道F数为4,长波通道F数为2的整体光学系统。在双谱段范围内,整体系统的点列图RMS值小于10.7μm,MTF在探测器的特征频率17lp/mm处大于0.5,具有良好的成像效果。     

多焦平面三维投影光学系统设计

为了解决传统立体显示器成像不满足人眼正常成像规律的问题,同时考虑到穿戴设备兼具质量小、体积小的特点,在计算分析光学系统参数的基础上,结合数字微镜元件(DMD)和压电可变形反射镜(PDM),利用Zemax软件设计出了具有多焦平面投影功能的光学系统。该光学系统由7片透镜组成,总长为200mm,视场角为40°,采用双远心光路结构。对光学系统的整体分析结果表明,改变PDM的曲率半径,可实现多焦平面的成像。人眼根据自身的调节作用,在特定位置处可观察到由各个焦面位置处(屈光度范围为0~3m~(-1))的二维图像重叠所带来的整体三维效果。最后对系统的成像质量进行分析,结果表明该系统在极限分辨率为37lp/mm时,各视场处的调制传递函数(MTF)均高于0.4,性能良好,满足设计要求。     

大气湍流对航空光电侦察图像质量影响因素分析北大核心CSCD

大气湍流效应是严重影响航空光电侦察系统图像质量的重要因素之一。从大气湍流参数描述出发,研究了大气湍流对光学系统成像质量的影响机理,分析了大气湍流影响光学系统调制传递函数(modulation transfer function,MTF)的影响因素,建立了大气湍流影响光学系统成像MTF的理论模型。仿真结果表明,在大气湍流影响下,光学系统光瞳口径与大气相干直径的比值对光学系统成像MTF影响较大。通过光学系统地面外场实验图像测试对比,验证了实际光学系统受到大气湍流影响后的成像MTF理论模型。研究结果可为大气湍流影响下的航空光电侦察系统设计及提升其成像质量提供理论支持。     

航空相机像旋动态调制传递函数分析与研究

航空相机在采用旋转扫描反射镜成像过程中存在像面旋转,会导致图像模糊,成像质量下降,必须采用像旋补偿机构进行补偿。目前,通过人眼观察图像模糊程度和电机同步控制精度评价像旋补偿精度,都不能客观准确评价系统成像质量。为建立航空相机成像质量与像旋补偿系统其他指标之间的直接关系,提出基于极坐标系的动态调制传递函数(MTF),并提出基于倾斜刃边法与模糊路径法相结合的方法测量航空相机旋转像移动态MTF。设计扇形靶标旋转动态成像实验,利用旋转动态MTF和倾斜刃边法得到图像动态MTF计算值,并基于图像模糊路径测量转台转动时图像动态MTF测量值。实验结果表明,转台以20~300(°)/s匀速转动时,空间频率在旋转动态MTF到达第一个零点频率前,动态MTF计算值和测量值曲线近似重合,验证了旋转动态MTF的正确性;空间频率在小于0.7零点频率范围内,两动态MTF曲线相对误差最大值和均值分别小于6%,2%,进而证明了测量方法的准确性。     

基于调制传递函数的光学低通滤波器评价模型与实验研究

为了量化评价光学低通滤波器(optical low pass filter,OLPF),利用调制传递函数(modulation transfer function, MTF)建立了一个包含OLPF的二维数字光学成像系统模型,并以此模型为基础构建了OLPF的评价函数.应用该评价函数,计算三种典型OLPF的滤波特性,计算结果表明随着理想光学系统空间截止频率的增大,三种OLPF的滤波性能均有先微弱增强,后迅速减弱的趋势;当光学系统F数大于44时,采用嵌入“两层四点”式OLPF的数字成像系统的低通 关键词： 光学低通滤波器 调制传递函数 评价函数 空间频率     

一种新的光学合成孔径系统成像性能指标与光瞳优化方法

为探索能够准确反映合成孔径系统成像性能的特征指标,计算比较了三种典型的六孔径阵列的填充因子上下限、截止频率、截止能量比以及相关系数等参数,发现其成像质量主要与调制传递函数(MTF)中低频段的频谱分布有关。在此基础上,提出了综合考虑频率高低与频段分布均匀性的加权频段能量曲线,可以较准确地反映不同阵列在成像质量方面的差异。为实现MTF中低频段频谱能量最大化,对三种阵列的光瞳结构进行优化,得到对应的中心聚合型阵列。实验结果表明,新阵列在成像质量上明显优于原阵列,填充因子范围也能满足一般设计需求。     

基于双泽尼克多项式的多视场稀疏孔径成像

基于双泽尼克多项式推导稀疏孔径光学系统与视场相关的广义光瞳函数,以Golay3稀疏孔径成像系统为例,通过ZEMAX软件进行光学设计和数据拟合获得广义光瞳函数的双泽尼克多项式系数,根据傅里叶变换关系计算得到稀疏孔径光学系统的调制传递函数（MTF）,并针对不同视场稀疏孔径光学系统进行成像模拟和图像复原。结果表明,调制传递函数的理论计算结果与ZEMAX设计结果一致,利用双泽尼克多项式可以表示不同视场稀疏孔径光学系统的成像特性。构建与视场相关的维纳滤波器进行图像复原,可有效提高不同视场稀疏孔径光学系统的成像质量。     

正弦振动下动态调制传递函数分析与研究

振动导致航空相机成像分辨率下降,常采用动态调制传递函数(MTF)评价振动对成像质量的影响。根据线性光学系统的传递函数理论,针对任意频率的正弦振动,提出一种基于第一类贝塞尔函数的动态MTF计算方法,并以奈奎斯特频率处动态MTF不小于0.9为条件,得出低频振动的振幅容限随频率增加而减小,高频振动的振幅容限为0.2 pixel。通过对刀口靶标进行正弦振动下动态成像实验,得出理论计算结果与实验结果间相对误差小于4.25%,相比以往相关文献的分析结果,计算精度最大可提高18.5倍,因此该方法可用于预估和评价振动环境下航空相机的成像质量,对视轴稳定系统的设计具有指导意义。     

基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率计算成像系统设计

针对实时广域高分辨率成像需求,充分利用具有对称结构的多层共心球透镜视场大且各轴外视场成像效果一致性好的特点,设计基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率计算成像系统.该系统基于计算成像原理,通过构建像差优化函数获得光学系统设计参数,结合球形分布的次级相机阵列进行全局性优化,提高系统性能的同时有效简化光学设计过程、降低系统设计难度.系统稳定性测试结果表明,该成像系统的MTF(modulation transmission function)值在截止频率处接近衍射极限,弥散斑均方根恒小于探测器像元尺寸,整机实景实时成像效果良好,无视觉可见畸变.该系统不仅有效解决了传统成像中广域和高分辨率成像矛盾的问题,而且为计算光学成像系统设计奠定了一定研究基础.     

基于倾斜刃边法的调制传递函数计算及图像复原

调制传递函数(MTF)是描述光学成像系统信息传递频率特性的一个关键指标。在成像系统满足线性和空间不变性的条件下,对于含有点、狭缝和边缘等不同特征的图像,可以使用相应的方法计算得到成像系统的MTF。采用了倾斜刃边法来计算得到成像系统的MTF,分析了成像器件和算法步骤对计算结果产生的影响,进行了相应的校正,提高了计算结果的准确性。运用MTF补偿(MTFC)技术,分别使用了镜头MTF的设计值、测量值和计算值对实际拍摄得到的图像进行了复原。通过对以上3种复原图进行对比,实验结果证明了MTF计算值的可靠性和用于降质图像复原时的有效性。