一种圆柱物体360°全景成像装置设计方法

针对圆柱物体的外观视觉检测设计了一种360°全景成像装置,通过单视点约束计算确定镜面形状,根据相机景深、分辨率、视场角等约束条件设计了镜面参数,对于特定圆柱体尺寸,获得满足相机景深的约束,系统分辨率达到相机原分辨率80%以上的最优镜面参数。利用光学设计软件对全景成像装置进行仿真,根据光学成像质量评价标准,通过对比确定全景成像装置最优方案。利用基于标定的系统化方法展开全景图像,获得透视投影全景图。设计的全景成像装置系统结构简单、成本低、成像质量高、畸变小,克服了传统的圆柱物体侧面360°成像硬件装置复杂、价格昂贵的缺点,为机器视觉提供了一种柱状物体侧面360°度全景成像的装置和镜面设计方法。     

安全距离和成像尺寸约束的超大视场红外系统车载应用关键参数论证

在现有车载辅助驾驶系统中,可见光成像系统难以有效应用于夜晚、雨、雾、霾等低照度不良天气。红外成像系统有效克服了上述不足,但传统车载红外系统存在视场角小、视野盲区大的缺点。研究了超大视场红外系统的车载辅助驾驶应用,提出了基于安全距离和成像尺寸联合约束的超大视场红外系统关键参数论证方法。通过分析等距投影成像规律,建立了超大视场红外系统车载应用的安全距离约束模型和成像尺寸约束模型,以极限速度对应的探测最近距离和二维Johnson准则约束下的“发现”最远距离来验证超大视场红外车载系统的可行性,计算了视场角等关键参数。经过理论论证和分析,超大视场红外车载系统的镜头焦距/像元尺寸范围需在[276.1 521.3]范围之内。通过开展系统试验,设计了水平视场角为140°的超大视场红外成像系统,满足了对人的发现距离大于130 m的要求,进而可用于车辆辅助驾驶。     

折反射周视系统研究进展与展望

折反射周视系统作为近十几年发展起来的一种新型周视视觉实现形式,相比相机旋转扫描、多相机图像拼接和鱼眼镜头大视场成像等常规方法,在小型化、结构灵活性、成本和实时性方面具有优势。本文综述了折反射周视系统的成像模型、系统标定、畸变校正和全视场清晰成像等基本问题研究状况,讨论了折反射周视系统在红外成像和立体视觉领域的扩展应用研究现状,最后总结了目前存在的问题,并提出未来折反射周视成像系统将围绕非单视点成像模型、提高空间分辨力的方法和处理算法实时实现开展研究。     

提高离轴三反射镜系统成像质量的途径

介绍了离轴三反射镜系统的设计方法 ,即在共轴三反射镜系统求得初始结构参数的基础上 ,将光阑置于第一面 ,适当离轴 ,在避免中心遮拦后再对系统进行优化。利用具有高次非球面项的镜面 ,并对镜面实施离轴、倾斜 ,这都能有效地提高离轴三反镜系统的成像质量。例举了一个大相对孔径、大视场角和一个相对孔径不大、视场角较小的离轴三反射镜系统作为设计的实例。通过对镜面加高次非球面系数、离轴量、倾斜量并进行优化 ,得到了成像质量良好 ,系统的总长度较小的结构     

可调焦胶囊内窥镜光学系统设计

为解决胶囊内窥镜分辨率与景深相互制约的问题,将一种单液体、电控、可变焦液体透镜应用到内窥镜光学系统中进行光学设计,在保证分辨率的同时,扩大了系统景深.采用CODE V软件进行设计,建立系统初始结构,构造液体透镜模型,基于液体透镜中液体的体积不变,曲率、孔径和厚度可变的结构约束特点,在MATLAB中计算出不同物距下透镜的曲率、孔径和厚度数据,将其导入CODE V的系统模型中,并提出了相应的优化流程.设计并优化带有液体透镜的胶囊内窥镜系统,实现了系统在3~100mm景深范围内的清晰成像,视场角大于110°,全视场范围内调制传递函数在40lp/mm频率下均大于0.3.     

滤光片式双视场成像光谱仪光学系统设计

为了满足机载搜索与跟踪系统的实际使用要求,根据变焦系统的基本理论和成像光谱系统的特点,设计一个滤光片式双视场成像光谱仪光学系统实例。系统采用1/3英寸CCD接收,像元尺寸为6.0 m6.0 m。通过高斯法分析与求解得到初始结构,使用Zemax软件对其优化,实现0.45 m～0.7 m/0.6 m～0.95 m双波段清晰成像,通过轴向移动变倍组完成139.75/32.25双视场转换,在视场切换过程中,F数为5.6且恒定不变。设计结果表明:在各谱段下系统宽视场畸变3.5%,窄视场畸变0.2%,探测器的Nyquist频率50 lp/mm处光学传递函数的峰值均大于0.5,系统的最小后截距大于35 mm,用以安装滤光片轮,满足装配要求。     

消畸变成像折反射全景成像系统设计

 单视点折反射全景成像系统畸变较大,通过计算反射镜面型可有效地实现折反射全景成像系统消畸变成像。在反射镜入射角与反射角呈线性关系的基础上,推导适用于消畸变折反射全景成像的反射镜面型公式。为说明反射镜面型的准确性,设计了F#为3.3,视场为138°的消畸变成像折反射全景成像系统,并利用实际像平面和虚拟像平面间的坐标映射关系,实现了系统的消畸变设计。各视场MTF在奈奎斯特频率下均达到0.6, 边缘视场相对畸变小于4 %。结果表明：该面型可实现消畸变折反射全景成像,反射角光线追迹法适用于折反射全景成像系统畸变评价,为折反射全景成像系统消畸变设计提供了必要的模型和计算方法。     

大视场航空相机光学系统设计

针对航空相机复杂的使用环境以及需在高速运动中进行高分辨率成像的特点, 设计了一种大视场航空照相机光学系统。该系统光学结构采用双高斯准对称结构形式,通过双成像模块光学拼接扩大视场角,调整最后一片透镜实现内置调焦,且通过控制地物反射镜的3种工作模式,分别实现航空相机垂直照相、自动调焦及前向像移补偿功能,避免了航拍过程中温度、气压、航高等环境条件变化时引起的图像质量大幅下降,确保整个视场内成像质量不受影响。该光学系统设计实现了全视场无渐晕, 全视场最大畸变＜0.5‰,在91 lp/mm处MTF接近衍射极限,物镜在全视场范围内成像质量一致。通过实验室及航拍试验验证,该光学系统具有成像清晰、视场大、可靠性高、体积小、质量轻等优点,满足了航空相机在比较复杂环境下清晰成像的要求。     

扫描型长波红外连续变焦光学系统

基于斯特林制冷式4×288元光伏型碲镉汞二维探测器, 根据红外扫描成像系统原理, 设计了一个扫描型长波红外连续变焦光学系统。根据系统指标要求对光学指标进行分解计算及光学优化设计得到系统的光学参数和外形结构图, 并对扫描光学系统的冷反射进行分析优化。该光学系统采用三次成像的结构, 由变焦望远镜组、扫描摆镜、中继镜组、成像镜组4部分组成, 包含9片透镜和2片反射镜。为了降低校正色差成本, 系统使用了硫系玻璃镜片。光学仿真结果表明:系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35, 全视场畸变小于2%。最后, 对系统进行了成像实验验证, 结果表明:该系统可以实现30.8~154 mm范围内连续变焦, 变焦过程中目标景物清晰, 细节分辨率高, 无冷反射现象出现, 该系统具有分辨率高、热灵敏度高、像质清晰等特点。     

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.     

一种三维数字成像系统的多视点姿态估计方法

为校准多视场深度数据,提出基于条纹投影的三维数字成像系统的多视点姿态估计方法。该方法至少在两个视点分别向被测物体投射出一组正交条纹图,利用条纹投影和相位重建技术,将相位图映射为物体的三维空间坐标。进而,利用投影仪的投射过程是摄像机成像过程的逆过程,建立投影仪的投射平面和摄像机的成像平面的对应关系,将“极线几何约束”应用到基于条纹投影的主动三维视觉的姿态估计问题,并在考虑测量数据受噪声影响的条件下,建立了求解视点姿态参量的数学模型。通过优化求解非线性方程可以获得多视点的姿态估计参量。所设计的实验及结果证明了所提出方法的有效性。     

掠入射式超环面反射镜组X射线显微镜设计（英文）

为了实现对激光惯性约束聚变中物理过程的诊断,建立了X射线显微成像系统。对该系统所采用的超环面镜成像特性、系统的光学设计、像差分析、公差分析和装调方法进行了研究。首先,以等离子体诊断的要求为依据确定了部分光学系统参数,设计了由U型排布的两个超环面镜和一个用于谱选择的平面镜构成的显微成像系统。根据消像散聚焦初步确定三个反射镜的结构参数,并利用光学设计软件进行了优化。接着,分析了X射线显微镜的球差、彗差、视场倾斜和像散。通过分析系统参数变化对成像质量的影响,根据系统精度要求确定了合理的公差。最后,针对离线超环面镜离轴掠入射装调问题,设计了一种辅助光学系统,并为在线高精度系统装调设计了一种双向双目交汇瞄准系统。实验结果表明:显微成像系统在物方视场500μm处的分辨率优于5μm,基本满足激光等离子体X射线成像的大视场和高分辨等要求。     

大视场虚拟现实光学系统设计

虚拟现实技术由于具有良好沉浸感和人机交互性强的特点而被广泛应用于军事训练、教育和医疗等领域。本文设计一款适用于虚拟现实头盔显示器的两片式大视场光学系统。利用单透镜作为初始结构,根据设计要求调整出瞳直径,出瞳距离,逐渐增大视场角,并采用非球面来优化提高光学系统的成像质量,减小畸变。设计完成的头盔显示器光学系统全视场角达到92°,所有视场下的调制传递函数值在奈奎斯特频率处均大于0.1,系统最大畸变为9%,并且在全视场范围内实现每度16.8像素数的角分辨率。实验结果表明：与单片式光学系统相比,本文设计的两片式系统具有更好的成像质量、更出色的边缘视场畸变和色差控制效果。此外,该光学系统重量轻、结构紧凑、成本低,可应用于新一代虚拟现实设备的头盔显示系统。     

三反射式柱面光学系统设计及优化

针对传统单片柱透镜和柱面反射镜成像光束不理想以及视场通常小于1°,提出并设计了一种三反射式柱面结构.对柱面光线追迹及单片柱面镜成像进行了深入分析,分别设计了三反射式圆柱面和二次曲线柱面系统,提出了一种基于抛物柱面镜理想线聚焦的新型像差优化方法,使其在子午面方向各视场调制传递函数得到最佳优化,并达到成像光谱仪等在狭缝方向卜高空间分辨率要求.其子午面总视场均达到了3°,在45 lp/mm分辨率条件下,边缘视场子午面方向的调制传递函数分别优于0.2和0.6.     

超大视场折反射全景光学成像系统设计

折反射全景光学成像系统具有平面对称光学系统的成像特性,提出应用光焦度控制方程和超大视场光学系统六阶波像差理论来初步确定系统结构初始参数,在此结构基础上,应用Zemax软件对其进行设计和优化,得到了一款仅由1块偶次非球面反射镜和6块折射透镜组成的折反射全景光学成像系统.该系统工作在可见光波段,全视场角范围为12°～178...     

折反射全向相机镜面位姿的自标定方法

在已知镜面和透视相机参数的情况下,提出一种不需要任何其他标定物的折反射全向相机镜面位姿的自标定算法,只需要折反射相机采集任意一幅图像即可估计出反射镜面与透视相机之间的旋转和平移。利用镜面外边缘所成的像,通过平面圆位姿估算方法获得两个候选位姿;再利用透视相机镜头边缘的成像,同时进行镜头边缘参数估计和镜面位姿选择。该标定方法操作简单,精度高,适用于非单视点相机的标定。仿真和真图实验结果证明了该方法的有效性。     

基于成像/光强变化响应的中/短波红外辐射校准系统设计

受到测量方法的限制,现有的辐射校准系统只能在小-中型红外成像模拟器光学系统的透过率发生变化时实现辐射测量,无法在大型红外成像模拟器的视场光阑发生变化时实现辐射测量。针对大型红外成像模拟器部分仿真状态无法评估的问题,提出基于成像/光强变化响应的测量方法,并设计新型红外辐射校准系统。系统研制完成后,针对红外成像模拟器多辐射参数测量的需求,提出多参数标定方法进行系统标定。系统的辐射照度为6×10^-10～7×10^-4 W/cm²,工作波段为2.05～2.55μm和3.70～4.80μm,测量不确定度为1.88%。最后,利用新系统校准大型红外成像模拟器在不同仿真状态下的输出辐射。校准结果表明,新方法和新系统可以使大型红外成像模拟器在全仿真状态下实现多参数测量。     

大相对孔径数字化X射线成像系统的光学设计

 针对60 mm×45 mm尺寸碘化铯荧光屏,设计一个用于牙科诊断的X射线数字化成像光学系统。选用有效尺寸4.8 mm ×3.6 mm的CCD作为接受器件,光学系统结构型式为复杂化双高斯型,相对孔径和全视场角分别达到F/0.9和35°,有效焦距9 mm。全视场MTF 在空间频率56 lp/mm时高于0.75,全视场畸变为1.8%, 边缘视场照度与中心视场照度之百分比达到80%。从设计结果可以看出,整个系统的像差得到了较好的校正,满足数字化X射线成像系统的使用要求。     

长条镜柔性支撑及点阵结构设计方法

离轴三反光学系统多采用长条形反射镜,为尽可能提高反射镜面形精度,其支撑结构形式多为柔性支撑;为了在保证结构力学性能的基础上满足轻量化的需求,支撑亦多采用壳体点阵结构。本文基于尺寸优化技术,建立了长条形反射镜的参数化有限元模型以及双轴圆弧切口柔性铰链支撑的多参数优化模型,分别应用可行方向法及自适应响应面优化算法得到了质量约束下刚度最优的反射镜面板、筋板厚度参数以及刚度约束下镜面面形最优的柔铰支撑几何尺寸参数,并应用参数试验方法对该柔性支撑安装角度及安装轴向位置进行了独立变量的影响分析。对于背板的设计,本文提出了一种基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法,采用贪婪三角化投影算法对点阵结构包络生成的点云进行网格重构,保证了点阵结构模型的连续性与真实性。经过仿真验证,优化参数下重力、温度、强迫位移各工况下反射镜综合面形误差（0.018λ）和装调方向重力下刚体位移（0.007 mm）均达到最优。表明基于点云三维重建的点阵结构设计仿真优化方法合理可行,可推广应用于类似结构形式的反射镜支撑。     

大视场高像质简单光学系统的光学-算法协同设计

为了实现高像质相机低成本、小型化的需求,本文提出了一种大视场简单光学系统的光学-算法协同设计方法,并通过图像复原算法校正简单光学系统的残余像差。首先,针对大视场光学系统,对空间变化的交叉通道去卷积算法进行改进,加入倍率色差校正,使图像复原算法可显著去除色差的影响。然后,在光学设计过程中,放开色差的约束,并专注优化绿色通道的像质,使其成像锐利,在后期交叉通道去卷积算法中有助于红、蓝两通道图像复原。利用该方法设计了一个由两片同种材料的镜片构成的大视场简单光学系统。系统焦距为50 mm,全视场为46°,F数为5. 6,探测器分辨率为1 000万像素。实验结果表明:本文设计的两片镜、大视场简单光学系统的成像质量可媲美三片式库克镜头,明显优于纯图像复原的结果。本文方法实现了大视场简单光学系统的设计,并能够通过系统最终获得高分辨率、高像质图像。