基于光线追迹的LED裸眼三维显示技术准直性研究

在LED集成成像裸眼三维显示中,LED大屏幕的单个像素点的发散角很大,使用平凸及双凸透镜,图像的重构光线发散且相邻透镜单元间的像素串扰大,导致立体场景再现的过程中图像不清晰,影响重构三维图像的质量。根据光线追迹原理,分析了LED集成成像的成像过程,研究不同形状透镜阵列与LED集成成像相邻透镜单元间像素点间串扰的关系,仅使用单个凹凸透镜有效地控制了重构光线的发散问题,使通过透镜的重构光线更加汇聚准直,光线平行出射,有效地减小了相邻透镜间的像素串扰,提高了成像质量。通过比较字母模型成像的仿真结果,凹凸透镜非常适用于LED集成成像,成像的效果优于其他形状透镜。     

与光纤阵列耦合的微透镜阵列设计与损耗分析

设计了2种不同冠高的圆形微透镜阵列，将平行光耦合进16路单模光纤阵列和多模光纤阵列。每种微透镜阵列均由16个直径为120pm的平凸微透镜排成一行组成，相邻微透镜间距为127μm。模拟其成像特性知，2种微透镜可以将平行光会聚成在其像平面直径分别为8．0μm和32．5μm的光斑。分析了微透镜与光纤存在横向、纵向和角向误差3种位置失配时的耦合损耗，并得出对耦合损耗影响最大的因素是角向误差，由此得出：在微透镜与光纤耦合对准过程中，要注意减小角向误差。     

一种3D亚像素液体透镜的设计与研究

通过对集成成像串扰特性研究,提出亚像素的集成成像微透镜阵列的制作方案。为了获得串扰最小,莫尔条纹干涉最少的3D成像效果最好的子图透镜排列,以红绿蓝子像素为视点,设计了不同尺寸的透镜和子像素排列方式。理论分析了传统微透镜阵列和亚像素微透镜阵列的串扰情况,证明了亚像素方法的可行性。     

集群像素激光三维成像雷达能量利用效率分析与研究

激光三维成像雷达技术在近十几年得到了飞速发展,各种新激光雷达体制在新技术的刺激下也日渐成熟。集群像素激光三维成像雷达技术是新型体制的典型代表,其具有用少量探测器就能实现大规模像素阵列探测的能力,并且在相同能量条件下能获取到更高信噪比的回波信号。研究了集群像素激光三维成像雷达的雷达方程,分析了发射系统与接收系统能量利用效率,设计提出圆台柱透镜与楔形微透镜阵列耦合结构来进一步提高集群像素激光三维成像雷系统的能量利用效率,经仿真分析与实验测试结果表明,圆台柱透镜与楔形微透镜阵列耦合结构可大大提高集群像素激光三维成像雷达的能量利用效率,对提高激光成像雷达系统的成像质量和有效作用距离具有十分重要的意义。     

基于光线追迹的集成成像技术重建分辨率研究

集成成像技术重建分辨率的表征方法对集成成像系统性能的优化及评价具有重要的意义。根据几何光学原理,考虑数字记录过程中的像素离散化影响,结合元素图像阵列中的同名像素相关性,对同名像素在像空间投影叠加实现三维信息重建的过程进行了深入分析,定义了集成成像技术像空间的横向和纵向分辨率,并研究了其沿轴分布特性。理论分析和实验结果均表明,集成成像技术的横向和纵向分辨率沿轴向呈现不均匀的分布特性。     

基于非均匀棱镜阵列的三维集成成像视角增强方法

针对传统集成成像系统视角受限于单元透镜尺寸及其焦长的问题,提出了一种基于非均匀棱镜阵列的三维集成成像视角增强方法。以传统集成成像重构显示原理为基础,借助于非均匀棱镜阵列对重构光线的偏转作用,设计了显示透镜阵列和非均匀棱镜阵列组合的立体显示模式。依据集成成像的三维重构显示原理,利用光线追迹理论,导出了非均匀棱镜阵列的结构参数和集成成像系统视角之间的关系模型。仿真实验表明,基于非均匀棱镜阵列的集成成像系统视角比传统集成成像系统有了显著提高。     

基于柱透镜多旋转测量的计算成像

提出一种基于单柱透镜旋转调制的光学扫描成像系统，样品的完整波前信息可以通过柱透镜旋转调制的多幅强度图样迭代重建。此外，柱透镜的旋转角度作为该系统的一个关键参数，其值通过基于Radon变换的数值计算方法得到，摆脱了对高精度旋转设备的要求。该成像系统的可行性在仿真和实验结果中均得以验证。与轴向多距离扫描成像系统相比，该成像系统中各光学元件在轴向位置保持固定，数据获取速度得以加快且轴向采样率保持固定，不仅简化了光场重构中的算法设计，而且极大地加快了收敛速度。     

基于椭圆斑点序列图像估测清晰成像的方法

采用透镜成像的单目视觉测量模型进行位移测量时,需要知道清晰成像斑点的中心坐标。当物体发生位移时,为了获取清晰成像斑点,需要调整透镜位置,使其服从透镜成像规律。但是由于透镜制造缺陷,其焦点不是理想的一个点,而是一段小区域,当成像接近清晰时,通过微动调整透镜位置,成像清晰程度基本不变,这就是成像的不敏感区域,又称死区,因此要想获得清晰的透镜成像位置变得十分困难。为了解决这一问题,本文提出了一种基于斑点序列图像估测清晰成像位置的方法,即分别获取透镜不同位置下的斑点图像,通过图像处理得到斑点图像短径和中心坐标,根据理论推导的解析模型,对椭圆短径分成两段拟合,求取交点位置,该交点位置即为估测的清晰图像位置。最后通过实验,将透镜调整至估测的清晰图像位置并获取图像,采用边缘梯度检测和像素均值检测,验证了该位置就是清晰的透镜成像位置。     

双复眼透镜间相对位置误差对光束匀化的影响

为了在激光退火工作面上获得高均匀度光斑,研究了双复眼透镜阵列光束匀化法中两透镜阵列间相对位置变化对匀化性能的影响.利用光线追迹方法,模拟了双复眼透镜阵列间6个自由度的相对位置误差与光束匀化效果的依赖关系,发现第二复眼透镜阵列的滚转角偏差是影响光束匀化质量的最敏感因素.为实现较好的匀化效果,需要对复眼透镜阵列位置进行精确控制.结果表明,使用专用镜架对透镜位置进行精确控制后,光束均匀度达到0.039.该系统成功应用于激光退火装置,实现了超浅结激光退火.     

基于三维集成成像相机阵列获取的元素图像校正

利用相机阵列获取三维信息实现三维集成成像与显示时,为消除相机阵列空间位置偏差对元素图像阵列的影响,提高再现三维图像的质量,以相机阵列记录系统为基础提出了一种元素图像阵列校正方法。通过特征点位置坐标以及相机位置平移误差和旋转误差的计算,分析了相机阵列位置平移误差和旋转误差与元素图像间的关系,以及校正算法的精度。利用光学实验对该算法进行了验证,结果表明,此方法可有效消除相机阵列位置偏差对元素图像阵列的影响,并且校正后再现三维图像质量明显优于误差图像,峰值信噪比提高了33.6%,实现了基于三维集成成像相机阵列获取的元素图像校正,满足了集成成像的显示要求。     

用于提高集成成像景深的微透镜阵列研究

集成成像3D显示是一种运用微透镜阵列从不同方 位对三维物体记录和重构的真三维显 示技术,针对集成成像3D显示技术景深不够、微透镜之间间隙透过的杂散光引起干扰导致的 重构图像质下降等问题,本文设计新型微透镜阵列结构(双层针孔/微透镜组合阵列结构)以 减少杂散光并增加集成成像3D显示的中心深度平面的个数以提高集成成像的景深。根据集成 成像原理,确定双层针孔/微透镜组合阵列的参数,利用Tracepro光学仿真软件对集成成像3D显示过程进 行仿真,结果表明,双层针孔/微透镜组合阵列能有效地较少杂散光;当两层微 透镜阵列间距为5mm时,本文系统获得的景深比传统系统大20 mm左 右,即 双层针孔/微透镜组合阵列结构能够实现在减少杂散光影响的同时又增加集成成像的景深。     

基于不同微透镜阵列参数的集成成像微图像

提出一种基于不同微透镜阵列参数的集成成像微图像阵列生成方法。在该方法的拍摄过程中, 首先通过微透镜阵列1拍摄三维场景获得微图像阵列1, 再通过一个包括虚拟显示和虚拟拍摄两个步骤的像素映射算法, 生成与微图像阵列1参数不同的微图像阵列2。在显示过程中使用的微透镜阵列2与拍摄时的微透镜阵列1具有不同的参数, 微图像阵列2通过微透镜阵列2重建出全真的3D图像, 重建的3D图像没有图像缩放和畸变。同时本文还推导了微图像阵列1、2和微透镜阵列1、2各参数应满足的数学关系。实验结果验证了理论推导的正确性。     

基于不同微透镜阵列参数的集成成像微图像阵列生成方法

提出一种基于不同微透镜阵列参数的集成成像微图像阵列生成方法。在该方法的拍摄过程中,首先通过微透镜阵列1拍摄三维场景获得微图像阵列1,再通过一个包括虚拟显示和虚拟拍摄两个步骤的像素映射算法,生成与微图像阵列1参数不同的微图像阵列2。在显示过程中使用的微透镜阵列2与拍摄时的微透镜阵列1具有不同的参数,微图像阵列2通过微透镜阵列2重建出全真的3D图像,重建的3D图像没有图像缩放和畸变。同时本文还推导了微图像阵列1、2和微透镜阵列1、2各参数应满足的数学关系。实验结果验证了理论推导的正确性。     

平面交叉型微透镜阵列的制作及成像特性研究

介绍了采用光刻离子交换工艺制作平面交叉型微透镜阵列的方法。利用积分形式的光线方程式讨论了平面交叉型微透镜的近轴光学特性，研究了微透镜的光线轨迹方程式和一些重要的近轴成像特性，利用ABCD定理得到了平面交叉型微透镜像距、焦距、像高、横向放大率和主平面位置的数学表达式，焦距的理论计算结果和实验数据吻合得很好。     

微透镜阵列的制作及其与图像传感器的集成

介绍了利用硅、熔融石英和聚酰亚胺等材料制作折射和衍射微透镜阵列的工艺和结果,以及这些微透镜阵列分别与红外、可见光图像传感器的集成应用.微透镜与红外256×256PtSiCCD的集成结果表明,微透镜填充系数提高了2.3倍,成像质量明显改善.     

光场相机建模与畸变校正改进方法

光场相机作为一种新型的成像系统,可以直接从一次曝光的图像中得到三维信息。为了能够更充分有效地利用光场数据包含的角度和位置信息,完成更加精准的场景深度计算,从而提升光场相机的三维重建的精度,需要实现精确的几何建模,并精确标定其模型参数。该方法从薄透镜模型和小孔成像模型出发,将主透镜建模为薄透镜模型,将微透镜建模为小孔成像模型,结合光场相机双平面模型,将每个提取到的特征点与其在三维空间中的射线建立联系,详细解释了内参矩阵中每个参数的物理意义,以及标定过程中初值确定的过程,并在镜头径向畸变模型的基础上进一步应用了相机镜头的切向畸变模型以及基于射线重投影误差的非线性优化方法,改进了光场相机的标定方法。实验显示,该方法的RMS射线重投影误差为0.332 mm,与经典的Dansereau标定方法相比,进行非线性优化后得到的射线重投影误差精度提升了8%。该方法详细分析的场景点与特定像素索引的推导过程对光场相机的标定具有重要的研究意义,为光场相机光学模型的建立与初始化标定奠定了基础。     

基于近似波数域算法的干涉合成孔径显微技术

光谱光学相干层析(OCT)系统中,成像的横向分辨率和焦深之间的矛盾制约了其进一步应用。干涉合成孔径显微技术(ISAM)是一种图像三维重建算法,通过对光谱数据进行重新采样和计算达到不同深度位置处横向分辨率恒定的目的。通过分析ISAM重构过程和误差原理,建立多散射点的重构模型,并对比分析了光谱OCT和ISAM重构后的图像结果。为了缩短ISAM的重构时间,提出近似波数域方法来实现ISAM,搭建了光谱OCT成像实验系统。实验结果表明,该方法极大地节省了重构时间,将一幅320 pixel×265 pixel图像的重构时间缩短至50 s,为光谱OCT图像的三维实时重构提供了理论基础。     

基于CCD标定的微像素精度图像定位技术

基于光电成像器件CCD的点目标定位技术被广泛运用于天文定位、侦察等民用及军用方面。传统点目标定位精度一般为亚像素级,受CCD自身成像误差限制,目标定位精度难以大幅提高。提出通过干涉条纹对CCD进行标定,从而得到CCD频域像素响应函数的精确表达式,由此重构高质量的目标入射光场图像,进而提高光电成像系统对点目标定位的精度。首先建立了干涉条纹标定CCD及目标光场图像重构的理想模型,并通过仿真验证了点目标图像重构效果以及最终点目标的定位精度。仿真结果表明,经干涉条纹标定CCD后,重构的目标光场图像质量得到大幅度的提升,接近于CCD像面前入射光场图像,通过高斯曲面拟合得到点目标形心坐标及其微位移的提取精度均达微像素级别,相比于传统的亚像素定位,定位精度得到了大幅度的提高。     

虚焦点成像实现平行光输入的PS光互连

用平行光输入２Ｎ×２Ｎ 元素阵列,采用２×２ 全息透镜阵列的虚焦点成像方式,实现了元素阵列的ＰＳ（ＰｅｒｆｅｃｔＳｈｕｆｆｌｅ,即全混洗）光互连;透镜阵列直接实现ＰＳ光互连时,成像放大率为２Ｎ,成像距离ｌＨ 与Ｎ 成线性;当在全息透镜阵列后另引入一成像透镜Ｌ时,推导的成像距离公式和系统放大率公式表明：互连的成像距离主要与成像透镜焦距有关,成像放大率主要与成像透镜焦距和全息透镜焦距之比有关。相应的实验证明了各公式的正确性。     

基于轴向应变误差修正的FBG形状重构算法

针对轴向应变误差影响光纤布拉格光栅(FBG)形状传感器的重构精度问题,提出了一种基于轴向应变误差修正的形状重构算法。纤芯位置偏差是造成轴向应变误差的主要因素,为了获取光纤形状传感器的纤芯位置偏差,提出了三芯光纤形状传感器的误差理论模型。通过ANSYS Workbench对误差理论模型进行有限元建模仿真,将纤芯位置偏差和标定偏差代入误差理论模型,对存在位置偏差的纤芯轴向应变数据进行修正,并与理想纤芯位置处的轴向应变数据进行对比,证明了该理论模型对存在误差的轴向应变数据具有良好的修正效果。为了计算每个检测点的纤芯位置偏差,根据提出的误差理论模型,提出了一种基于二分法逐次逼近的FBG形状传感器纤芯位置偏差计算方法。仿真结果表明,纤芯位置偏差修正前后重构曲线的最大位置误差从1.74 mm减小到0.10 mm。对于自封装的FBG形状传感器,使用纤芯位置偏差修正前后,重构空间曲线的最大位置误差从19.81 mm减小到7.66 mm。