应用于钢管直线度机器视觉测量的光学成像系统设计

针对钢管直线度的机器视觉测量,设计了成像系统的技术指标.采用双高斯结构设计了光学成像系统基本结构,并通过ZEMAX光学模拟及像质分析,对成像镜头的结构参数进行了优化.设计结果表明,该光学成像系统总体成像质量较好,畸变小于0.08%,在频率为62·5 lp/mm时,0.7ω视场的MTF值大于0.5,能够用于钢管直线度测量...     

微光ICCD相机的动态调制传递函数理论模型研究

在微光像增强型电荷耦合器件(Intensified Charge-coupled Device,ICCD)积分时间内,空间振动影响微光ICCD相机的成像,导致成像质量下降。对于振动环境下微光ICCD相机成像,采用动态调制传递函数(modulation transfer function,MTF)评价空间振动对成像质量影响。结合微光ICCD相机特有结构,提出微光ICCD相机的动态MTF理论模型,分析低频正弦振动及高频正弦振动中,振动幅度、振动周期、积分时间等不同因素对成像质量的影响。     

激光辐照条件下光学相机像质评价方法研究

倾斜刃边像分析法是调制传递函数评价方法中最常用的方法之一,该方法成像过程中光束透过能量高、实用性强,具有广泛的应用前景。将倾斜刃边像分析法应用于激光辐照条件下相机成像质量评价系统,分析方法可信有效,但需综合考虑刃边倾角度、刃边两侧灰度对比度和背景噪声等影响因素。采用倾斜刃边像分析法计算不同功率密度和光斑位置下系统不同的 MTF 曲线和 MTFA 值,结果表明:当激光功率密度偏小或光斑位置距刃边较远时,刃边对比度和MTF值影响较小;当激光功率密度逐步增大或光斑位置向刃边靠近时,局部MTF呈降低趋势变化,刃边对比度和MTF值影响逐渐增大,干扰效果也逐渐明显,尤其是在光斑覆盖目标时,MTF值无法计算,干扰效果达到最佳。因此,基于倾斜刃边像分析法可实现定性和定量评价光学相机成像质量。基于该仿真结果,建立相应的激光辐照条件下光学相机成像质量测评系统,可为光学相机激光辐照效应实验及其激光干扰效果评估提供技术支持。     

载体平台振动下红外系统成像模糊效应动态仿真

研究了载体平台振动条件下红外系统成像模糊效应模型,实现了系统成像模糊效应动态仿真。依据红外系统成像原理及平台振动规律,建立载体平台振动下红外系统成像模糊效应模型;通过研究模糊效应纹理预生成及实时采样方法,实现载体平台振动下系统成像模糊效应实时计算;基于仿真结果定量分析了载体平台不同振动条件下,红外系统成像质量退化程度。结果表明:载体平台振动时,振动振幅或振动频率增大都会导致红外系统成像质量严重退化;而且观测距离越远,载体平台振动对系统成像质量影响越明显。     

振动对航空CCD相机成像质量影响分析

振动是影响航空CCD相机成像质量的关键因素.采用调制传递函数(MTF)评价振动对像质影响,应用简谐振动为激励,详细推导了航空振动引起角位移和线位移对成像系统的影响,建立了角位移和线位移与像移大小的一般关系式,并结合工程实际进行了量化分析.指出角位移是影响成像质量的主要因素,提出了进行减震设计的基本思路,提高成像质量.     

高功率激光装置中长悬臂靶架结构稳定性研究

在高功率激光装置冷冻靶系统中，靶架的细长悬臂梁结构对冷冻靶内部振源有着较大的振动响应，从而会影响装置的束靶耦合精度。针对该问题，研究了长悬臂梁的附加式减振结构，在不增加整体外形尺寸和质量的前提下，通过增加悬臂梁支撑点的方式增大结构比刚度，从而优化其振动响应特性。以美国国家点火装置（NIF）中的靶架作为研究设计主体，通过建立数学模型明确了响应函数的主要、次要影响参数；利用ANSYS有限元模拟的方法确定了重要工程参数的取值范围；通过自主搭建的实验台模拟了不同工况下的振源并对减振靶架进行测试，最佳方案中的振幅优化率为91.7%，冲击收敛时间优化率为77.1%，固有频率达到183 Hz，证明了所设计的减振结构对长悬臂梁的振动响应特性有较好的优化作用。     

CMOS图像传感器像元MTF与SNR设计方法

CMOS图像传感器常采用像元在奈奎斯特频率处的调制传递函数(MTF)值对成像质量进行评价.MTF主要由孔径MTF和扩散MTF的频域乘积得到,其中孔径MTF与CMOS图像传感器像元的物理结构相关,扩散MTF主要由感光区p-n结的工艺参数决定,同时工艺参数会影响像元的量子效率(QE),进而影响信噪比(SNR).从CMOS图像传感器像元的工艺参数出发,详细分析了MTF函数和SNR的理论机理,并列举了300～1000 nm光谱段中8个典型光波长条件下CMOS图像传感器像元的MTF和SNR的计算结果,L型灵敏度孔径的像元在奈奎斯特频率处的孔径MTF为固定值0.67,奈奎斯特频率处的扩散MTF随入射光波长的变大而减小,QE在800 nm入射光波长条件下达到峰值85.8％,而相同读出噪声和暗电流条件下的SNR也在800 nm处达到峰值124.     

一种分析气动光学传输效应的等效透镜方法

针对2.5Ma条件下气动光学传输效应对红外成像的影响进行机理分析。利用有限元仿真得到头罩外流场的温度、压力、空间分布形态的参数。在此数值仿真基础上,提出将头罩外流场等效为气体透镜的方法,计算透镜的折射率和焦距及其对原红外成像系统焦点位置的改变量约为49.66?m,此改变量小于焦深,则外流场对红外光线传输的影响基本可以忽略,成像不会产生模糊。测量风洞实验拍摄到退化图像的调制传递函数(MTF)与红外探测系统的MTF相差很小,验证了对气动光学传输效应机理分析的正确性。     

紫外像增强器的调制传递函数测试系统设计

紫外像增强器是紫外成像系统的核心器件,其成像质量决定了对紫外光学信号的探测和成像能力。调制传递函数（Modulation Transfer Function,MTF）反映了系统对图像不同频率信息的传递能力,是像质评定的一种客观指标。本文基于狭缝成像和傅里叶分析的调制传递函数测试原理,设计了一套紫外像增强器的调制传递函数测试系统。然后对3支紫外像增强器进行了调制传递函数测试实验,得到3支紫外像增强器的MTF曲线截止频率均在32~34 lp/mm之间,并根据MTF曲线对3支紫外像增强器成像质量进行对比分析。最后经过重复测试得到几个重要频率点MTF测试值的标准差均低于0.02。     

微光像增强器的MTF测试技术研究

微光像增强器是微光成像系统的核心部分,其成像质量决定了对微弱光学信号的探测能力。像增强器的调制传递函数(modulation transfer function,MTF)反映了系统对图像不同频率成分的传递能力,是像质评定的一种客观指标。本文基于狭缝法测试MTF的原理,进行系统校准和采用分段加权最小二乘拟合实现曲线的平滑去噪,构建了微光像增强器的MTF测试系统。具体是采用十字狭缝靶标进行测试得到线扩散函数(line spread function,LSF)曲线,然后对其进行去噪处理和离散傅里叶变换得到MTF曲线,测试结果与德国OEG-2MTF测试仪比较,误差率低于5%,为研制高成像质量微光像增强器提供了一种有效评价手段。     

振动影响航空TDICCD相机像质的集成分析

采用集成建模分析法,研究了航空TDICCD相机的成像质量受到振动载荷激励影响后的变化程度。在振动激励下,光学系统镜面会产生变形和微位移,使光学性能下降。设计了一种采用非球面镜片的航空相机光学系统,建立了航空相机光机系统的有限元模型,对其进行动力学分析,得到振动激励下的各个镜面节点位移量,以Fringe Zernike多项式为接口对镜面变形进行拟合,将拟合得到的12组37项系数输入到光学软件的航空相机光路模型中进行光学性能评价。分析表明,该航空相机光学系统在振动激励下,91 lp/mm分辨率时光学调制传递函数下降了9.7%,像点点列图发生偏移和弥散,需采取相应的减振措施。     

空间相机波像差灵敏度及集成仿真方法

针对一种空间相机新型单杆主承力结构,采用波像差灵敏度模型和集成仿真分析两种方法,实现光机结构轻量化设计过程中的系统波像差评价,以保证在力学条件下的成像质量。所提出的波像差灵敏度方法能够基于波像差与失调量的线性关系进行构建,对于以相机成像质量为约束条件指导光机结构的优化设计具有重要意义。首先,基于光学系统的失调原理,推导了光学元件失调量与系统波像差的灵敏度模型。然后,采用有限元方法获取力学工况下的节点位移量,并基于最佳拟合（best-fit）方法计算主、次镜的失调量,对失调后的系统进行光学分析得到系统的波像差。最后,针对5 kg级空间光学相机,采用所提出的两种方法进行了建模与分析,并开展了相应的重力工况分析与试验。灵敏度分析方法相对于光机集成软件仿真方法误差为16.8%,所提出的方法能够应用于设计阶段对系统成像性能的快速评估。     

双波段共口径成像系统光机设计与分析

为了克服机载光电有效载荷(可见光摄像机和红外热像仪)各自独立、焦距过短的缺点,着重对可见光/红外共口径系统关键技术进行了研究。采用可见光、中波红外双波段共用主次镜的光学结构,可见光和红外焦距分别为1 500 mm和750 mm。选用合适的光学材料、合理的支撑方式,对系统反射镜支撑组件进行了静力学、动力学建模,优化了结构形式。采用光机热集成分析方法,指导、评价和优化光机系统设计过程,提高结构固有频率,增强系统热稳定性适应范围。系统结构设计基频大于200 Hz,在5 ℃均匀温变工况和重力作用下,反射镜面形PV值小于/10,RMS值小于/40,光学系统传递函数(MTF)达到0.38。结果表明,采用该方法设计的光机结构固有频率高,重力及热耦合变形、抗振性能等方面均能满足要求,系统具有良好的成像质量。     

微纳卫星高分辨视频相机光机结构设计与试验(特邀)

针对20 kg级微纳光学遥感卫星微型化视频相机要求,详述了其光机系统的设计、装调和试验,以及所使用的集成优化设计技术。该相机采用卡塞格林结合校正镜的光学系统,包括两个反射镜和一个校正镜组,为了获得最优的力热稳定性,反射镜采用了碳化硅材料。首先,基于20 kg级微纳视频卫星的任务及总体设计,提出了其所搭载的视频相机的指标要求;然后,分别介绍了该视频相机光学和光机结构系统;为了进一步提高轻量化率,在满足光学性能要求的同时,利用光机集成优化方法进行了轻量化设计,优化后光机系统质量仅3.03 kg,整机质量仅4.76 kg,一阶基频120 Hz以上;最后,开展了系统装调和地面力学摸底试验,试验结果表明其动力学性能和稳定性良好。     

一种连续变焦凸轮优化设计及试验验证

具备连续变焦功能是目前先进红外热像仪的重要特征之一,而变焦凸轮是驱动连续变焦光学系统中各镜组运动的关键部件。为了设计出良好性能的变焦凸轮结构,本文首先应用动态光学理论推导出变焦光学系统的像移补偿组公式得到像移补偿组的轨迹曲线,然后利用序列二次规划法（sequential quadratic programming, SQP）优化算法来减小动态光学曲线的压力角,结合光机设计理论运用Creo进行凸轮曲线生成及凸轮槽切除从而获得变焦凸轮结构。再基于有限元分析理论对凸轮结构进行分析,最终通过变焦系统运动及成像结果确认本文方法可行。     

调制传递函数在光学相机支撑设计中的应用

为指导遥感相机主次镜支撑桁架的设计,以满足整系统调制传递函数(MTF)为目标,分析系统各环节MTF对整机的影响,确定以光学衍射限传递函数为约束设计系统主体支撑结构。由在轨产品的实测MTF及装调、电子学的传递函数因子推出杆支撑条件下的光学衍射限传递函数最小值,指出光学软件不能全面评价遮拦对光学衍射限传递函数的影响,确定以光瞳函数计算不同遮拦时光学系统衍射限传递函数,得出三杆时杆直径最大为38mm,四杆时杆直径最大为26mm的遮拦分布。通过有限元计算两种结构布局下杆不同壁厚的系统静载变形及模态频率,认为直径26mm、壁厚4mm的四杆结构,支撑结构质量从现有40kg减至4kg,静载变形水平放置25μm、竖直放置0.85μm,系统基频98.9Hz,一阶扭转频率183Hz,满足卫星载荷设计要求。     

离轴三反成像光谱仪光学系统设计

高质量的成像光谱仪光学系统必须具备大线视场、大相对口径、宽光谱成像、体积小、重量轻等优点,因此离轴全反射系统成为该领域的一个研究方向。介绍了一种基于赛德尔像差理论的大线视场、大相对口径离轴三反光学系统的设计方法。该方法通过对初级像差方程组进行约束优化,求得满足要求的初始结构参数,并在优化的过程中,不断地调整系统中各个镜子的偏心和倾斜,在保证成像质量地前提下,消除系统的遮拦。最后的设计结果表明了这种方法的有效性和可行性。     

光学瞄准变焦系统的优化设计及其分析

针对一款2-6×24mm瞄准镜系统在变倍过程中出现视差的问题,基于高斯光学理论,利用CODEV软件进行仿真实验,发现在变倍过程中,像距变化较大是造成该问题的主要原因;基于变倍成像原理和机械变倍结构,应用仿真设计技术,提出了变倍组凸轮曲线的修正方法,给出了各镜片的修正参数和凸轮的修正曲线,优化了光学瞄准系统性能,解决了存在的视差问题;对比优化前后光学瞄准系统的调制传递函数、点扩散函数和线扩散函数,发现优化后波像差的RMS值均小于λ/4,成像质量很好,满足成像设计及实际生产的精度要求。     

坦克目标探测跟踪红外变焦光学系统设计

针对联合变换相关器对坦克目标进行实时探测跟踪的需求,设计了一种红外变焦光学系统。该系统采用320×240元非致冷焦平面阵列探测器,在8～12μm波段,系统变焦范围为60～240mm,F数为2。通过对系统的优化设计,当最大截止频率为17lp/mm的时候,各视场的MTF调制传递函数均接近衍射极限,成像质量良好,并且系统具有大相对孔径以及结构紧凑等优点,满足了坦克目标跟踪识别的实际应用需求。