基于波前编码的光数混合景深延拓技术的研究

波前编码技术通过在光学系统的出瞳面加入一个非球面透镜,使光学系统的焦深增加一个数量级,并能够校正由各种原因的离焦引起的像差。介绍了波前编码技术的工作原理及其应用,并给出了采用三次相位掩模板时系统的成像结果。实验结果表明,波前编码技术将光学设计和数字图像处理相结合并进行整体优化,大大提高了光学系统的成像性能,在各类光学系统中具有非常广阔的应用前景。     

波前编码技术扩展焦深的系统实验

为了扩大光学系统的焦深,建立了采用波前编码技术的光学/数字一体化系统,通过在普通光学系统孔径光阑处加入一个位相掩模板和后期数字处理的优化结合,实现了光学系统焦深的大幅扩展。介绍了波前编码技术的提出、发展及理论基础,设计了一个三片式的三次位相板系统,利用光学设计软件CODEV对传统系统和波前编码系统的成像特性进行了对比分析,给出了±40倍离焦范围内的点扩散函数三维轮廓图和调制传递函数曲线。最后,对研制的系统进行成像实验,并对波前编码系统解码前后的成像效果与传统系统进行了比较。实验结果表明,与传统系统相比,所设计的波前编码系统可以在保持光通量和像面分辨率的情况下将焦深扩展40倍。     

波前编码景深延拓成像系统模拟实验研究

波前编码技术是结合光瞳位相调制和数字信号处理的一种新技术,由于它可以在不降低分辨率的前提下增加光学系统的景深,同时减小成像系统的体积和降低成本,因此该技术具有很好的应用前景.设计了一个波前编码成像系统,并联合ZEMAX和MATLAB软件对该系统进行了计算机成像模拟实验.模拟实验结果表明:在由相位系数决定的离焦范围内,波前编码成像系统能实现在不降低分辨率的前提下的景深延拓;当三次相位板系数为20π时,波前编码系统可以将传统光学系统的景深扩大60倍.     

应用多个非球面优化鱼眼镜头的方法

对于鱼眼镜头一类光学系统,其超大视场的物点对于光学系统的成像,是符合平面对称光学系统的成像规律的。应用LU发展的平面对称光学系统的波像差理论,研究如何在鱼眼镜头光学系统中应用非球面对成像系统进行优化设计。首先,通过计算各个光学面的非球面系数对超大视场光学系统波像差的影响,找到受非球面系数变化影响最大的几个光学面;然后,以这几个面的非球面系数为变量,以光学系统调制传递函数作为评价函数,应用自适应归一化实数编码遗传算法,优化设计鱼眼镜头光学系统;最后,通过实例验证了所提出方法的有效性。所提出的方法可以有效地确定一个或多个最佳非球面的位置,对优化设计鱼眼镜头系统具有指导意义。     

激光为光源的液晶自适应眼底成像系统

摘要：本文介绍了基于液晶波前校正器的模拟人眼眼底自适应成像系统,该系统采用Shark-Hartman波前探测器进行波面探测,将探测所得波前畸变经过计算处理转化为灰度图通过电脑施加到LCOS上进行波面校正,通过校正人眼像差的方式来提高系统成像质量。经过校正后系统波前误差从1.92m降低到0.048m系统分辨率接近70lp/mm已经到达该光学系统衍射极限分辨。     

基于波前编码技术的红外系统温度敏感性的研究

波前编码技术是在成像系统的光阑面插入一个非球面相位板,得到一个中间模糊图像,并通过数字图像处理得到清晰图像。波前编码使得成像系统对很多离焦像差不敏感,例如温度引起的像差。这使得该技术可以应用于红外成像系统中,同时可以增大系统的焦深。设计了一个有效焦距f′为35mm,光圈F为2,工作波长为8~12μm的红外成像系统,并且通过数值模拟温度-20°C至60°C的改变,得出波前编码系统在不同温度不同物距下的MTF和PSF基本一致,最后通过数字滤波,可以在大温差的情况下重建大景深清晰图像。     

基于波像差理论的实数编码遗传算法优化XUV光学系统

由镜和光栅组成的XUV光学系统具有平面对称的性质,结合Lu平面对称光栅系统的波像差理论和均方根像差评价函数得到用以优化XUV光学系统的多参量目标函数。为求解该多自变量且大取值区间的目标函数,提出了一种基于十进制的实数编码遗传算法,并将其用于两种XUV光学系统的优化求值。将求得的优化值用光学仿真软件Shadow进行追迹,并和参考文献进行对比。结果显示本文优化后的光学系统在成像质量上有明显上升,表明波像差理论及本文的实数编码遗传算法可以有效地优化XUV光学系统,为此类系统的优化设计提供了新的思路。     

349单元自适应光学波前处理器

为了满足大型地基高分辨率成像望远镜对自适应光学系统校正频率和成像质量的要求,本文设计了一套349单元自适应光学波前处理系统,该系统在349单元变形镜自适应光学系统上实现了1 500Hz的波前校正频率。设计了以控制计算机、FPGA波前斜率处理器、GPU矩阵乘法处理器以及模块化数模转换机箱等作为主要部件的实时波前处理器,报道了349单元变形镜自适应光学系统对动态像差的闭环校正结果,实验中对模拟大气相干长度r_0为6cm,格林伍德频率为160Hz的大气湍流实现有效校正,自适应光学系统闭环后,波前像差的1 000帧平均均方根值由1.07λ(中心波长600nm,后同)下降至0.11λ。本文设计的349单元变形镜自适应光学系统能够在1 500Hz的波前校正频率下有较高的成像质量,波前处理延时优于235μs。功率谱分析结果表明自适应光学系统对100Hz以下的波前畸变具有明显的校正效果。     

混凝土结构裂缝宽度波前编码测量系统的设计

混凝土结构裂缝宽度测量对监测建筑结构的健康状态、避免混凝土结构损坏性缺陷具有十分重要的意义。为了克服基于传统光学成像技术设计的手持式混凝土裂缝宽度测量系统焦深小准确调焦困难,以及由于存在像差和混凝土表面凹凸过大致使视场内图像无法完全清晰等缺陷,采用波前编码技术重新进行缝宽检测系统的设计,以便有效地拓展景深（焦深）。首先,讨论了波前编码立方型相位板规一化参数及其与实际系统相位板设计参数之间的关系,接着利用CODE V光学设计软件,完成了手持式裂缝宽度波前编码测量系统的设计,然后加工制作了立方型相位板并进行了初步实验。实验表明,采用基于单透镜的波前编码系统设计,在满足50mm分辨率、F数为6的前提下,可将景深拓展为15mm,达到传统光学系统相同F数时景深理论值的4.5倍。该系统能够满足混凝土结构裂缝宽度测量中扩大景深和成像的基本要求。     

液晶空间光调制器对真实人眼畸变波前的校正

基于液晶空间光调制器波前调制量大,像素密度高,驱动电压低等优点,用液晶空间光调制器作为校正眼像差的关键元件,研制了用于人眼畸变波前探测和校正的自适应光学系统.介绍了液晶空间光调制器的波前调制原理,利用ZYGO干涉仪测定了位相调制和灰度级的关系曲线.分别用Hartman-Shack波前探测器和高分辨率液晶空间光调制器探测和校正人眼的波前畸变,对近视5 m~(-1) (500度)的人眼进行了自适应校正实验.校正后,系统的波前误差为0.086λ PV和0.013λ RMS, 达到了系统的衍射极限,并可清晰地分辨眼底原来模糊的细胞.实验结果表明,液晶空间光调制器可以有效校正畸变波前,达到提高成像质量的目的.     

波前编码系统的新设计

利用传统光学系统评价指标斯特利尔比和能量集中度来表征波前编码系统的成像特征,建立了系统"离焦不敏感性"的评价函数.采用所建立的评价函数设计了应用波前编码技术的三片式系统,系统焦深比原系统扩展10×以上.结果表明:新设计方法使得波前编码系统设计得以在流行的光学设计软件CODE Ⅴ、zemax中实现,并可以很方便地控制"离焦不敏感性"和"图像可恢复性"之间的平衡,解决了目前波前编码系统设计时没有现成软件,没有成熟方法的问题.     

360°高阶非球面反射式全景镜头设计

为了简化系统配置、提高图像采集及处理效率,实现单一光学系统环视高清全景成像,依据折反射式光学系统的工作原理,设计了高阶非球面反射式360°全景镜头,并对光学结构和系统像质进行优化设计。该相机采用高阶非球面反射镜压缩视场角,将垂直光轴方向俯仰角从-55°到20°的环视目标光引入到系统,接着,在后续光路中利用玻璃透镜组对目标光进行接收,并使其聚焦于相机靶面,获得物体的环形全景图像。通过对系统像质的优化,得到高清的360°环视全景图像,并对光学系统的主要性能指标进行了分析。所设计的360°全景镜头采用1片高阶非球面反射镜和10片玻璃球面镜组成,系统的焦距为0.4mm,光圈数为2.2,俯仰角达到75°,像方全视场在150lp/mm处的光学传递函数值均大于0.3。该360°全景镜头采用单一光学系统成像,解决了传统拼接式全景镜头图像采集与图像处理效率低的问题,同时通过简化系统结构,使该产品符合成本低、可量产的要求。     

基于高斯光学齐次坐标变换的光机装调

高性能光学系统装调的调整量与光机结构设计相关,而装调所用参考坐标系往往与光学设计所用的坐标系不同。为了精确描述调整量对高斯像位置的影响,本文在基准坐标系下建立了引入装调误差量的高斯光学齐次坐标变换模型。针对具体的光机结构,建立了高斯像像旋和离焦对调整变量的函数,据此计算小的结构变化导致的离轴三反望远物镜高斯像面的移动,结果显示其与光学设计软件对最佳像面位置优化结果的相对差小于4%。利用方差合成方法建立线性规划模型,对17个装调变量做了最宽松的误差分配方案。用Monte Carlo法验证了分配方案,结果表明,该方案在±300μm调焦能力下满足各视场±10μm的焦深要求。本文的方法忽略了复杂、微小像差的影响,适用于含多个已做内部精装的光学组件或平面反射镜的复杂成像光学系统的装调。     

Verticality detection algorithm based on local image sharpness criterion

In the high precision image measurement system,the verticality error between the axis of the shooting system and the measured object can bring error of the measurement result.The high demand of the system’s vertical degree is raised by measure system due to the demands of high precision and disposable full field imaging in the micro-parts imaging measurement.The existing method of optical axis verticality detection cannot meet the demand all.In order to achieve the high-precision adjustment of the system optical axis,the algorithm of detecting verticality based on regional image definition is proposed.First,the objected standard image is divided into fixed area.Then,the object plane is moved from the downside to the upside of the focus plane,meanwhile,recording the definition function values of each standard image region at each step,and fitting out the clearest positions of the regions.Finally,according to the inter-regional relations between the locations and the height difference of the each regional clearest position,the small angle between the optical axis and the measured surface can be calculated.The experiment is based on the given image of lithography template with the scale of 10 μm as move unit,and the results show that this method effective reduced the small angle between the system optical axis and the measured body in high-precision image measuring system,the evaluation accuracy is less than 0.1°,meeting the requirements in high-precision measurement.The proposed method of detecting verticality based on regional image definition can evaluate the verticality error between the axis of the shooting system and the measured object accurately,effectively and conveniently.     

Measurements of three-dimensional velocities of spray droplets using the holographic velocimetry system

The Holographic Particle Velocimetry system can be a promising optical tool for the measurements of three dimensional particle velocities. In this study, the holographic particle velocimetry system was used to measure the sizes and velocities of droplets produced by a commercial full cone spray nozzle. As a preliminary validation experiment, the velocities of glass beads on a rotating disk were measured with uncertainty analysis to identify the sources of all relevant errors and to evaluate their magnitude. The error of the particle velocity measured by the holographic method was 0.75 m/s, which was 4.5% of the known velocity estimated by the rotating speed of disk. The spray droplet velocities ranged from 10.3 to 13.3 m/s with average uncertainty of +-1.6 m/s, which was +-14% of the mean droplet velocity. Compared with relatively small uncertainty of velocity components in the normal direction to the optical axis, uncertainty of the optical axis component was very high. This is due to the long depth of field of droplet images in the optical axis, which is inherent feature of holographic system using forward-scattering object wave of particles.     

在线图像可视铁谱成像系统的像面照度均匀性

为了定量评价在线图像可视铁谱(OLVF)成像系统的像面照度均匀性,建立了一种像面照度模型。以像方参数及放大倍率表征物方视场,将物方视场区域离散化,采用朗伯余弦理论建立入瞳模式的像面照度模型,实现了像面照度的计算与均匀性评价。利用Matlab进行了物面照度仿真分析,确定了OLVF成像系统环形阵列光源的发光二极管(LED)数量,基于像面照度分析确定了最佳成像焦距和放大倍率。计算了油腔通油情况下成像系统中的光能量损耗以及磨粒沉积面的照度分布,建立了油液吸光系数与CCD像面轴上像点照度的关系。结果显示:LED发光强度已知时,仿真计算的像面不均匀度约为5.60%,实际测试的像面不均匀度为8%~9%,满足不均匀度≤10%的要求。开展了磨粒铁谱图像采集实验,结果表明:图像中磨粒清晰可辨,便于图像分割与视觉特征提取。提出的模型可定量描述OLVF成像系统的像面照度,可作为优化系统结构,提高系统成像性能的依据。     

光学薄膜元件在舞台灯光中的应用

舞台灯光灯具采用传统光学系统,光学系统主要实现灯光的视觉效果如光强、颜色及其他一些特殊效果。而光学系统中的各种光学元件都需要光学镀膜。现主要介绍舞台灯光中常用的光学薄膜元件类型、设计膜系和光谱曲线,探讨光学镀膜材料和工艺,以及光学薄膜元件的应用场合。     

微小高度检测系统设计

高度信息是分析物体三维形貌的最重要信息。为了研究微小焊点的三维形貌,需要对焊点高度进行测量。针对传统测量技术的缺点,设计了一种检测系统。系统应用白光平行照射条纹板,将其像投影到被测物体上,受到物体高度轮廓的调制作用,形成变形的亮暗相间的条纹。该条纹图携带着焊点的三维信息,再用照相系统把变形的条纹图拍摄在CCD上,通过对CCD上像的处理,可以还原出高度信息。该方法可将条纹板的像等间距地投射到被测物体的表面上,避免了由于投影条纹宽度不同所带了的图像处理过程的误差。实现了测量范围大、重复性好、图像处理简单的优点,为微小高度的测量提供了新方法。     

A novel depth-from-focus-based measurement system for the reconstruction of surface morphology with depth discontinuity

Errors due to magnification variations are caused in optical systems when three-dimensional shape measurements based on depth-from-focus (DFF) are performed. These magnification variations cause focus measures to be incorrectly interpreted. In this paper, a DFF-based system which considers the magnification variations has been developed to undertake accurate measurements of surface morphology with depth discontinuity. The image magnification can be represented by magnification factors, which are computed using the ratio of diagonal image lengths of a rectangular calibration block, according to optical system movements. The image calibration is performed using the magnification factors. The calibration makes the image size of the object features identical, in spite of magnification variations resulting from optical system movements. Therefore, the application of accurate and reliable focus measures is made in the calibrated images. The performance of our presented system has been verified through experiments with actual objects with depth discontinuity.