大视场全天候折反式红外全景云量观测

为了实现红外全景相机在全天候条件下对云量的远距离探测,设计了一种基于长波红外波段的全景成像光学系统.通过全景相机拍摄获得云的红外辐射分布信息,结合云量计算实现了对天气状况的判断和预测.系统采用折反式结构,利用等距离投影模式进行了反射镜面型拟合数值求解.结果表明:云量观测光学系统工作波段为8~12μm,F数为2,焦距为6.5mm,视场角为360°×120°,校准畸变量在±0.5%以内,调制传递函数值在奈奎斯特频率为30lp·mm~(-1)处接近衍射极限,在-40~45℃范围内衍射面与非球面相结合的方式实现了光学被动式消热差设计,系统估算探测距离达到7 km.适用于远距离全天候观测.     

致冷型二次成像离轴三反射镜光学系统设计

研究并设计了一种适合于致冷成像的离轴三反射镜光学系统.设计了二次成像的反射系统结构,将冷光阑作为系统的孔径光阑,得到100%的冷光阑效率,第二和第三反射镜将孔径光阑成像在第一反射镜的位置,有效地减小了第一反射镜的口径.通过调整每个反射镜的偏心与倾斜,实现系统的无遮拦,使用高次非球面校正像差,保证了系统的成像质量.设计的致冷型红外系统工作波段为3~5μm,焦距为500mm,F数为2,视场为10°×0.5°.该系统各视场的调制传递函数在奈奎斯特频率处(20lp/mm)都在0.5以上,并具有紧凑的结构.     

基于ZEMAX的折反射式望远物镜的设计

折反射式望远物镜顾名思义是将折射系统与反射系统相结合的一种光学系统,这种系统的特点是便于校正轴外像差．以球面镜为基础,加入适当的折射元件,用以校正球差,得以取得良好的光学质量．在设计过程中通过对计算数据的优化、对像差的校正,逐步达到了预期的要求．这次设计的折反射式望远物镜由两片球面反射镜及五片折射透镜组成．     

应用泽尼克多项式自由曲面的成像物镜设计

为了解决自由曲面难以应用于成像系统设计的问题,通过对泽尼克多项式自由曲面的波像差的分析,对一种采用泽尼克多项式自由曲面的成像物镜进行研究.在对非球面离轴反射型成像物镜研究的基础上,应用泽尼克多项式归一化描述光学系统的波前边界,建立与赛得和像差之间的对应关系,推导出采用泽尼克多项式自由面替代偶次非球面的方法.设计采用三片泽尼克多项式自由曲面反射镜组成设计成像物镜,在100倍放大倍数、视场角为130°、相对孔径为2.5的条件下,调制传递函数实现100 lp/mm 60%以上,畸变小于2.0%.研究结果表明,应用泽尼克多项式自由曲面可以减小离轴光学系统像差,达到提高清晰度、简化光学系统结构的作用.     

管道内表面成像的几何形状分析

对管道内表面，通过成像系统在平面上成像，给出其物像之间几何形状相似的判定标准，并对平面反射镜、圆锥反射镜和离轴球面反射镜在平面上成像的几何形状进行了详细的分析。从而得出离轴球面反射镜所成图像畸变量小。     

船载折反射全景视觉系统电子稳像算法

为解决船载全景视觉系统在视频采集过程中的图像晃动问题,提出了一种基于海天线的电子稳像算法。根据全景图像中海天线成像特点,提出了一种最优边缘估计算法计算海天线成像椭圆方程。建立了基于海天线的全景图像稳像模型,介绍了海天线稳像算法的实现,并给出了使用关键帧对稳像无效区域的重建方法。使用实际海洋环境下拍摄的海上全景图像序列进行了验证分析,实验结果表明:该算法对船载全景视觉系统采集的视频图像稳像快速、有效,平均计算时间小于50ms,实际应用效果良好。     

电子内窥镜光学系统设计

内窥镜观察范围大,并且观察系统多与手术器械相配合,具有广角长工作距的特点,因此物镜采用非对称反远距结构。设计的光学系统采用尺寸为3.30mm×2.95mm CCD接收成像,像元大小为3.275μm,实现了短焦距（1.7mm）、细径化（Φ=5.5mm）、大视场（100°）、长工作距（50mm）的光学特性。由于该系统为大视场光学系统,会有较大畸变,针对反远距物镜分析了其结构特点和像差特性,通过计算得出系统各个参数,并合理的引用非球面,达到了提高系统成像质量并且降低系统畸变的目的,利用ZEMAX光学设计软件给出了设计实例,并已经应用到实际生产中。     

环带式全景光学系统的小型化设计

为了获得大视场的管道内壁全景成像,基于平面圆柱投影法,设计了一种可用于周视的环带式全景镜头。系统由三胶合PAL镜头和中继镜组构成,通过设置PAL镜头中心光阑的方式进行设计;大视场光线通过PAL镜头的反射和折射后,出射光成为近轴光线,中继镜组再将PAL镜头所成的虚像成像到探测器上。设计结果为:系统焦距为-1.75mm,F数为2.16,视场为(±40°~±95°)×360°,系统工作波段为486nm~656nm,总长为16.2mm。满足设计要求,系统长度小于20mm,实现小型化系统设计。系统各视场传递函数值在空间频率为227lp/mm时均大于0.4,成像质量良好,满足使用要求。     

全景视觉监控系统

正技术开发单位哈尔滨工程大学技术简介哈尔滨工程大学研制的全景视觉监控系统利用单视点双曲面反射镜通过CCD(电荷耦合元件)成像单元成像,能够一次性获取水平方向360°、垂直方向大于180°的视场信息,具有水平视场无死角、成像一体化、360°大视场、旋转不变性、可空间球面坐标定位、图像沉浸感强等优点。该项目为《军用技术转民用推广目录(2016年度)》中智能制造领域的推荐项目。     

柱面透视投影模型下的全景环形透镜畸变校正

根据全景环形透镜的成像机理特点,提出了用柱面透视投影模型来对图像畸变进行校正.在柱面投影模型中,空间直线的投影不再是直线,而是一个短轴不变的椭圆.首先建立含有畸变参数的全景环形透镜柱面校正模型,将空间直线点映射为柱面的椭圆上的点,然后使用投影长度和为零的条件,将环形像面上的点拟合为柱面上的最佳椭圆,求出变形校正参数,进而校正全景环形像.仿真和真实图像实验表明,环形图像的切向和径向畸变得到了校正,误差达到了亚像素级.     

基于图像相关检测的快速反射镜稳像系统及方法

基于图像相关检测的快速反射镜稳像系统,指通过快速反射镜偏转光束,对光电成像系统在运动或震动环境中的抖动光轴进行稳定跟踪的系统。该系统首先通过图像相关的方法对不稳定光轴的偏移量进行实时检测,光轴偏移量反馈给快速反射镜的控制器,实时控制快速反射镜偏转实现光轴的稳定。该系统可以实现单帧内图像的稳像,消除高分辨率相机在积分时间内由于光轴抖动造成的图像模糊,提高成像系统成像质量。     

二氧化碳(CO_2)激光治疗机激光束扩散镜片的合理设计

用CO_2红外激光治疗多种皮肤病症,疗效显著。但激光器发出的高强度激光束必须经过扩散才能达到治疗的要求。采用锗单晶透镜,能量损耗多,镜片材料价格昂贵,且难于加工。采用反射镜,效率高,成本低。凹面反射镜又不如凸面反射镜好。但一般的单曲率球面反射镜在将激光束折过90°角反射后,圆形光斑被畸变成椭圆形,能量分布极不均匀。经推证及试验表明,采用双曲率椭球面反射镜,可以克服上述缺点。镜片的两个互相垂直的截面上曲率之比按1:2左右制作,可使折过90°角反射的激光束在扩散后仍保持圆形。     

基于全视觉图像中心的二次逆向快速解算方法

利用旋转体反射镜反射成像是一种性价比十分优越的全视觉图像获取方式．但由于反射镜的曲面反射，会造成图像的扭曲变形．根据反射镜成像系统的成像原理，进行基于原始图像中心的二次逆向解算方法，对展开图像的水平与竖直方向各进行一次解算，可以从根本上修正展开图中曲面反射所造成的图像扭曲失真，采用逆向的展开算法，能够减少解算点数，提高解算速度．     

环状全景图展开技术的研究

针对普通相机视野小,在定位、监控等过程中不能得到全局视场的问题,利用双曲面折反射全景摄像头获取360°环状全景图.为满足人们的观察习惯,将环状全景图展开为二维圆柱面矩形图.目前,针对环状全景图展开运用最多的是同心圆近似展开法,但是由于此方法计算量相对较大,且运行速度慢.因此,提出三角函数展开法,此方法可直接由环状全景图展开为二维矩形图,计算量小且运行速度快.首先,利用折反射全景摄像头获取360°环状全景图;其次,获取全景图中心点以及展开后的矩形图像的数据;最后,利用三角函数进行展开.该方法的系统结构简单、成本低,且运行速度较快,改善了图像分辨率低的问题.     

面曝光快速成形系统的光学成像系统设计

为了得到曝光量均匀的工作面,满足面曝光快速成形技术的需要,提出1种对投影仪成像光路的改造方法.选择反远距光路,2次成像的光学成像系统设计方案,使用非定制镜片,设计用于面曝光快速成形系统的光学成像系统,该系统由2个组元和1个光阑构成.使用ZEMAX软件对像差进行分析,系统最大慧差值为0.08mm,最大像面畸变为1.1%,像面中心分辨率达0.05mm.该成像光学系统的设计,为低成本面曝光快速成形系统的构建提供了基础.     

折反射成像的经纬仪模型研究

折反射全向相机具有能够提供360°视场、安装灵活、结构紧凑、成本低廉等优势.在单视点结构的约束条件下,根据折反射成像的旋转对称性,提出了折反射成像的全新模型.首先,根据折反射成像的投影几何理论,分析并推导出图像点到投影中心之间的距离与空间射线俯仰角的对应关系.其次,根据现有的球面统一模型将空间点投影到图像平面上,得出的图像点坐标在提出的模型中反投影出一条空间射线,对比统一球面模型验证提出的模型的正确性.最后用提出的模型计算图像点的反投影误差,得到误差为0.2个像素以内,实验结果表明,提出的模型能够获得较高的标定精度.提出的经纬仪模型将二维标定化简为一维标定,为折反射全向视觉的研究开辟了新的思路.     

基于太赫兹波段的三反变焦系统设计

太赫兹波段是指频率从0.1～10 THz,处于微波与红外波段之间.因其具有较强的穿透性、高效抑制背景噪声、良好的时间和空间相干性等特性,故在空间探测应用领域具有很大的潜力.相对透射变焦系统而言,反射变焦系统具有长焦距、大孔径、小体积、利于轻量化设计等优点,故在空间遥感探测领域被广泛使用.因此,设计太赫兹反射式变焦光学系统具有重要的意义和广泛的应用前景.以三级像差理论和矢量像差理论为基础,分别设计了太赫兹波段的共轴三反变焦系统与无遮拦三反变焦系统,焦距范围为300～1200 mm,成像波段为18～35μm,采用RTM-T01非制冷型太赫兹探测器.共轴三反变焦系统的视场角为0.3°～1.2°,系统在10 lp/mm处的MTF≥0.2;无遮拦三反变焦系统的视场角为2° ×2°～0.5° ×0.5°,系统在10 lp/mm处的MTF≥0.3.通过对两种设计结果的比较,可知由于共轴系统反射变焦系统存在遮拦,对增大视场具有局限性,因此,无遮拦反射变焦系统对于空间大视场高分辨探测具有重要应用价值.     

基于实际眼结构的个性化投影式头盔物镜研制

利用实际人眼光学系统的波前像差数据、角膜地形图数据和眼轴向深度数据建立了个体人眼光学系统。然后以能够在实际人眼视网膜上理想成像为优化目标,设计和研制了既能矫正物镜本身像差又能矫正实际人眼光学系统像差的个性化68°大视场投影式头盔物镜,给出了头盔佩带者视网膜上的成像质量,其中畸变仅为2%,横向色差为10.0μm,分辨率为50lp/mm,在没有采用衍射元件的情况下,加工装配后头盔物镜的总质量小于18g,能够满足现代化高性能、大视场、轻型化头盔的要求。     

小视场红外探头标定用离轴反射式平行光管设计

基于红外探头视场的标定原理和技术,设计了一种技术指标为焦距f=800mm、有效口径D=160mm、工作波段14～16μm、视场0.1°、准直精度30"的平行光管,光管采用离轴反射式系统,该系统由离轴抛物面反射镜和平面反射镜组成,其具有传输能量大、无色差、中心无遮拦的特点。设计结果表明,成像质量良好,满足系统的技术要求。     

镜头畸变和照度随主光线角度变化的优化分析

手机镜头作为典型的大视场大孔径光学系统,在进行光学设计时会出现像面边缘照度过低。降低边缘主光线角度可以改善边缘照度,但是同时也会使边缘畸变增大。取边缘主光线角度,畸变为变量,使用ZEMAX对手机镜头进行仿真优化,通过改变边缘主光线角度、畸变、像面照度,寻找三者之间的联系。通过一系列仿真数据分析,发现当系统边缘主光线角度变小时,系统边缘照度会被提升,但相对畸变也会被提升。使用Matlab对多组仿真数据分析,可以在畸变和边缘照度上找到最佳平衡。对实际系统进行了优化,在边缘主光线角度为17.5°附近能求解到最佳平衡解。通过该优化设计使原系统光学总长缩短了0.9mm,整体畸变下降了0.3%,MTF也有显著提升。