大视场星敏感器畸变校正技术

由于大视场光学镜头的加工误差和光敏感器件装配误差的存在,星敏感器实际模型与理想模型存在一定的差别。未校正的非线性误差对星点角度的测量影响很大。基于单星平行光入射标定模型,得出测试点与标定点之间旋转角的数学关系。以相邻点畸变误差近似相等为前提条件,完成测试星点的旋转角的畸变校正。结果表明,统计误差由校正前的7.257个像元降低到了0.246个像元。     

广角成像系统光学畸变的数字校正方法

光学系统的畸变除了利用像差理论来实现校正外，还可以利用数字图像处理技术来进行校正。这为某些受其他条件的限制，很难用像差校正方法来实现其畸变校正的光学系统，如内窥镜光学系统和机器视觉光学系统等，提供了另一种畸变校正的方法。在讨论利用数字图像处理技术进行畸变校正的理论后。接着详细介绍了点阵样板校正方法，并给出校正实例。最后，为了评价校正的精度，文中分析了校正的主要误差来源，并通过比较校正前后视场各位置     

CMOS星敏感器光学系统的设计

基于对恒星星表V/50的统计,在确保一定捕获概率的前提下,确定了星敏感器光学系统的视场角和所能探测的极限星等,在此基础上,结合所选用的STAR-250CMOS探测器的性能,在保证一定信噪比的前提下,确定了光学系统的通光孔径、焦距、工作光谱范围和中心波长、弥散元大小等主要参数。以改进双高斯型结构为初始结构,在ZE-MAX平台上实现了具有良好像质的大孔径(F/1.198)、大视场(22.6°)、宽光谱范围(0.5μm~0.8μm)的光学系统的设计,满足了对弥散斑、能量集中度等的特殊要求。     

星敏感器光学系统弥散斑测试方法

提出了一种星敏感器光学系统弥散斑尺寸的测试方法,主要是利用平行光管、转台和CCD显微摄像系统组成弥散斑测量系统,采集图像后,采用双三次插值像元细分,提取图像中灰度值,依据瑞利判据计算弥散斑尺寸。通过实际测量和试验验证,光学系统0.8视场弥散斑测量精度可以达到0.5μm,重复测量精度可达0.2μm。     

短焦矩大视场光学系统的畸变校正

本文对短焦矩大视场光学系统的畸变校正进行了讨论,并建立了畸变校正的数学模型,对提高畸变校正精度的途径和技巧进行了探讨和尝试.     

折反式大视场星敏感器光学系统设计

讨论了由逆卡塞格林结构和补偿器构成的折反式星敏感器光学系统。该光学系统由一块球面反射镜、一块非球面反射镜以及由同种光学玻璃做成的两块球面透镜和一块非球面透镜组成。具有视场大、相对孔径大和易实现等优点。给出了该光学系统的设计指标和设计思想,并给出了由其初级像差公式确定初始结构参数的方法。经优化设计,得到了全视场为20°、入瞳直径为36.3mm、相对孔径为1∶1.2的光学系统。给出了它的成像质量评价。     

大相对孔径全天时星敏感器光学系统

为实现星敏感器在J波段对3等恒星进行全天时高精度探测,采用被动消热差设计方法,根据光学系统与结构材料的热差性能差异,进行匹配优化实现镜头消热差,设计完成了一种大相对孔径全天时星敏感器光学系统。针对恒星在该波段下的指标进行分析,确定光学系统焦距为84 mm,F数为1.4,工作谱段范围为1.1～1.4μm,视场角为8.4°。在光学系统设计过程中选取常用光学材料和镜筒材料,通过改变各透镜形状,合理匹配各镜片之间的光焦度,从而实现被动补偿无热化设计。优化设计完成后的光学系统在高低温(-40℃～+60℃)及真空条件下,当离焦0.02 mm后,弥散斑尺寸优于30μm,色畸变小于0.018 mm。星敏感器内部采用表面发黑处理,遮光罩采用非等间距布局设计,表面采用一款具有较高太阳吸收率的SB-3A国产消光漆进行涂黑,可以在保证效果的情况下有效减轻重量,遮光罩内档光环采用16°斜角,可以保证较好的杂散光抑制能力。利用Tracepro软件对光机系统的杂散光进行了仿真分析,分析结果表明,视场内由目标产生杂散光是目标强度的3×10^-5,视场外杂散光强度由10^-2量级...     

高分辨率长焦广角低畸变光学成像系统设计

鉴于全视角高精度三维测量仪中现有光学成像系统无法同时满足大视角、高分辨率和低畸变等技术指标,为此设计了一种能够同时克服上述缺陷的光学成像和畸变校正系统。采用复杂化双高斯结构形式进行f-θ镜头设计,引入非球面提高系统成像质量。实验结果表明,设计的光学系统为长焦广角低畸变高分辨率光学系统,在环境温度-10 ℃~70 ℃下,视场角达到90°,畸变小于-0.001 67%,传递函数达到0.4@100 lp/mm,可实现工作距离3 m~100 m成像清晰。同时,光学系统中非球面镜片的面型精度会对成像质量产生很大的影响,根据公差分析,非球面的面型精度PV值小于0.17 μm时系统成像质量满足要求,实际加工过程中非球面面型PV值达到0.158 μm,传递函数达到设计指标要求,提高了系统的成像质量。     

机载护目镜型头盔显示器畸变校正

根据机载飞行头盔特点及人机工程要求,设计了护目镜型头盔显示器光学系统.分析了该光学系统的光学性能和畸变特点,研究了该光学系统畸变的算法软件校正方法,设计了预畸变校正算法软件,并对护目镜型头盔显示器光学系统进行了畸变校正.结果显示:校正后光学系统具有很高的成像质量,空间频率为50lp/mm时,全视场调制传递函数接近0.2;同时畸变小于0.5%,系统满足机载护目镜型头盔显示器性能指标要求.     

提高广角成像系统几何畸变数字校正精度的方法

光学成像系统非线性几何畸变的高精度数字校正仍然是一个未能很好解决的问题。其中 ,衡量畸变程度的参数难以精确测量是最重要的原因之一。在以径向几何畸变为主的非线性几何畸变模型中 ,通过对影响畸变参数测量精度的各种因素的分析 ,提出了提高畸变参数测量精度的方法。详细介绍了通过计算机自动测量畸变参数的算法 ,并给出了实现数字校正的算法。实验表明 ,能够比较精确地测出实现畸变校正所需的各参数。应用到不规则平面物体面积的测量中 ,获得了很好的效果     

红外气体传感器多光路光学系统设计

在实验研究的基础上分析了采用红外发光二极管为光源的气体传感器在设计中应考虑的几个因素。对四种设计方案进行了比较 ,从而提出了双光源四探测器的新型多光路光学系统设计方案。采用这种光学系统不但可以对温度、环境、气室尘染、器件失配等引起的干扰进行补偿 ,而且还可以对由光源发光功率和探测器响应度变化引起的传感器灵敏度的波动进行补偿。对新光学系统进行的实验分析表明 ,该光学系统的长期工作稳定性和温度稳定性都优于其它设计方案     

近红外成像光学系统设计

为了明确近红外成像光学系统对杂散光的抑制能力,设计了一个光谱为0.75 m ~1 m,焦距12.002 mm,F/1.8,视场1515的光学系统,其结构为改进型的双高斯结构。实验结果表明:设计的光学系统的各视场光斑在艾瑞斑内,焦移量最大为4.9 m,球差约为1 m,垂轴像差最大为3 m,MTF接近衍射极限。对设计的光学系统进行了杂散光评估和杂散光抑制,得到了杂散光抑制前后的点源透射比。分析结果表明:与未加遮光罩相比,加入遮光罩的光学系统PST值下降了76.6%~87.5%。     

激光与中波红外双波段光学系统设计

根据系统要求,进行激光与中波红外复合制导光学系统设计。该系统红外工作波长为3 m~5 m,激光工作波长为1.064 m,系统接收口径为250 mm,F数为1.4,要求MTF在33 lp/mm时大于0.4,光学透过率大于60%,使用的红外焦平面阵列像元数为640像素512像素,像元尺寸为15 m15 m。因为系统具有大孔径,小F数的特点,因此选择使用折反射式结构进行二次成像,并进行消热差处理。     

宽谱段红外消热差光学系统设计

宽谱段红外光学系统可以获取宽谱段的图像信息并增大目标信息获取程度。从红外光学系统的简洁性出发,对红外光学系统进行设计,系统仅由4片球面透镜组成,实现了4.4 m~8.8 m波段清晰成像, F#为2.68,达到了100%的冷光阑效应。采用被动消热差方式通过合理选择镜片材料及公式推导最终实现了各个波段内的消热差,镜筒材料为钛合金,透镜采用硒化锌（ZnSe）,锗（Ge）及硫化锌（ZnS）材料,给出20 lp/mm处系统在各个波段在-40 ℃~60 ℃的工作温度下的调制传递函数（MTF）,以及各个波段下的光学系统畸变值。实验结果表明:设计的宽谱段红外光学系统结构简单,满足设计要求。     

红外变焦投影光学系统的设计

根据外场测试要求,设计一套精确变焦的大口径投影光学系统,为系统性能测试评估提供远场至近场的目标成像模拟,系统由精确变焦系统和大口径投影系统两部分组成。根据被测系统口径及所成像点大小要求,在保证光瞳衔接和口径匹配的前提下,对大口径投影光学系统和精确变焦系统进行了光学参数计算和像质优化。变焦系统工作波段为8 m ~12 m,变倍比为16x,大口径投影光学系统口径为300 mm,模拟实验结果表明,该系统在变焦过程中像面稳定,各焦距位置MTF曲线接近衍射极限,满足外场测试实验要求。     

减小连续变焦红外热像仪中光轴漂移的方法研究

为减小机械补偿式连续变焦热像仪在变焦过程中的光轴漂移,根据连续变焦原理,对系统初始参数进行反复优化,保证补偿组移动曲线的平滑度,并将变倍组与补偿组的凸轮曲线设计为非线性变化曲线,既保证了焦距变化的均匀性,又减小了因凸轮转动引起的光轴漂移。利用多项式及三角函数拟合出了不同视场角下的光轴漂移曲线,并利用动态软件补偿技术来弥补光轴漂移的系统误差。结果表明,处理后的光轴漂移量可以控制在一个CCD像元尺寸左右,且具有较强的鲁棒性,对同类变焦镜头的设计及使用具有一定的参考价值。     

双通道红外投影光学系统的分析和设计

分析了双通道投影系统光路,介绍了准直投影光学系统的设计。此投影系统由目标源和干扰源2个通道组成,2个通道共用一个光学系统。光学系统采用二次成像结构来满足外形及质量的要求,在光学系统的最后一面和焦平面之间插入分束镜来引入目标源通道,并通过减小分束镜的厚度来控制干扰源通道的像差。光学系统工作波段为8 m～12m , 焦距315.69 mm,视场8.5,入瞳距900 mm,最后的像质表明此光学系统能够满足使用要求。     

基于消失点检测算法的束靶红外图像畸变校正

传统的霍夫变换、Cannylines直线检测算法、霍夫概率变换方法在图像上的直线检测效果不佳,存在检测线段不连续不正确的问题,因而,利用Sobel滤波对红外图像横轴和纵轴两个方向分别进行锐化,通过线段检测(LSD)算法实现线段特征检测,进而经线段聚类拟合获得图像中完整的直线,通过对直线交点计算获得消失点,最后依据透视关系计算得到校正图像。实验结果表明,该方法可以实现对中性束红外图像的自动有效校正。     

制冷型长波红外光学系统设计

针对640×512长波红外制冷型探测器,设计了一种制冷型长波红外光学系统,用于对目标的红外跟踪探测。该光学系统采用二次成像结构以达到100%冷光阑效率,采用锗和硫化锌玻璃材料相结合,实现了像差校正和消色差设计,通过引入高次非球面,很好地校正了系统的高级像差,简化了系统结构。光学系统由6个镜片构成,焦距为400 mm,工作波段为7.7～9.3μm,视场角为1.37°×1.10°,F数为2。设计结果表明：在空间频率33 lp/mm处,轴外视场MTF>0.24,接近衍射极限,具有较高的成像品质。在-35～+55℃工作温度范围内,通过内置调焦镜调焦来保证高温、低温环境下的成像质量,可用于宽温度范围内的红外跟踪探测。