相位差异散斑法图像复原技术

为了克服大气湍流和光学成像系统像差引起的波前相位畸变,提出利用相位差异散斑法同时采集焦面和离焦面通道的单帧短曝光图像来估算波前相位畸变.结合夏克哈特曼波前探测器设计了针对扩展目标的相位差异散斑法高分辨率成像和相位估计对比实验,通过定量移动高精密平移台获得焦面和离焦面图像,并将解算的波前面形与夏克哈特曼波前探测器实测的波...     

双相机相位差异散斑成像技术

开展了用相位差异散斑技术实现图像采集和图像恢复的实验,在实验室环境下设计了针对扩展目标的相位差异散斑成像双相机实验平台.用两台外触发模式的相机同步采集焦面和指定离焦面上的短曝光图像,用变形镜构造光学系统误差,用强力热吹风机模拟大气湍流.分析了用多台相机与单台相机相比引入的不同问题,给出了多通道之间相面旋转问题的处理方法...     

利用相位差异法检测镜面面形

为了验证相位差异波前检测器演示系统利用自带光源独立完成波前检测任务的能力,搭建了基于相位差异法检测镜面面形的实验平台。测试时在焦面和离焦面上同时采集短曝光图像,在已知离焦量的前提下解算出波前相位分布并恢复出目标,从而实现对大镜面像差的估计。为了进一步验证相位差异测量方法的准确性,对相位差异法与高精度的ZYGO干涉仪得到的测量结果进行了比较分析。实验结果表明:两种方法获得的面形误差分布及误差的峰谷值(PV)和均方根值(RMS)一致性很好,而波前RMS的测量精度达到了2.83/1 000λ。得到的结果表明提出的相位差异法能有效地检测出镜面的像差,且准确性很好。     

相位差异法目标函数的并行化改造

考虑自适应光学波前探测技术利用相位差异法来估算波前相位畸变和恢复图像时运算量较大,难以用软件在PC平台上实现,而使用数字信号处理(DSP)和现场可编程门阵列(FPGA)搭建计算平台虽然可使运算并行化从而缩短运算时间,但其目标函数结构复杂,因此,本文利用泽尼克多项式的性质,提出了一种相位差异目标函数的改造方法.给出了改造后的目标函数计算公式和梯度计算公式,使相位差异法在每次计算目标函数时只进行多项式运算,从而不仅方便了用DSP和FPGA的硬件实现,也充分利用了硬件处理的并行性.设计了仿真实验和室内实际光路实验,分别以分辨率板和光纤光束为例对模拟图像和实际采集图像进行了恢复.实验结果表明,改造后的相位差异法仍具备较好的图像恢复能力,光纤光束成像分辨率显著提高,颗粒间轮廓清晰可见.     

TIE和GS迭代算法用于生物细胞的相位恢复

提出了一种利用白光进行生物细胞图像高分辨率相位恢复方法,该方法结合了光强度传输方程(TIE)和Gerchberg-Saxton迭代(GS)算法。通过在显微镜的像平面附近连续采集3张生物细胞图像,并使用红色、蓝色和绿色通道分别对生物细胞图像的相位进行恢复,然后从3个通道的相位中提取该生物细胞的相位信息。实验结果表明,用该方法所得到的前后两次循环迭代的相位相对误差精度可以达到10^-7。     

基于实时波前信息的图像复原

提出了一种基于PIX总线的千单元可扩展波前探测图像恢复技术.采用波前探测与图像恢复相结合的方式来克服大气扰动和系统像差对图像分辨率的影响,满足大型地基望远镜高分辨率成像的需求.首先利用波前探测的方法得到波前相位畸变量,再由此恢复退化图像.其核心部件-波前处理器则采用波前处理主板和可扩展的波前处理子板相结合的方式来满足不同光学系统对波前处理规模的需求,波前空间采样散可扩展至千单元数量级.系统在室内进行了激光光源图像恢复实验,使激光光源的能量集中度提高50％左右;在室外对恒星和0.6″的双星图像进行了恢复,其半高全宽下降了约80％.系统采用大规模现场可编程门阵列(FPGA)作为波前处理的核心器件,实现了波前探测的实时处理和透过大气成像的退化图像的高分辨率图像恢复.     

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。     

极小孔径衍射波前测试分析

研制点衍射干涉仪时,小孔的形貌和装调误差会对衍射波前质量产生影响,故本文研究了采用相位复原对小孔衍射波前质量进行测评的方法。设计并搭建了衍射波前测试装置,对光纤衍射波前进行了测评实验。为了验证测试方法的有效性,分别对采集的衍射图像与重构的衍射图像,以及测试获得的振幅分布与理论计算获得的振幅分布进行了对比。结果显示。采集图像与重构图像之间的差异为0.32%,验证了采用相位复原技术进行衍射波前测试方法的有效性。同时,对干涉方法测量与相位复原结果进行了对比,二者差异仅为0.001 4λRMS。     

多光谱3D成像方法

已有3D成像方法难以实现单目、单帧图像条件下同时获取场景图像及深度信息,也不能兼具时间效率高、体积紧凑、能耗低等优点。为此,创新地提出多光谱3D成像方法,通过具有纵向色散的光学成像镜头与快照式多光谱图像传感器两部分构成图像采集系统,使用离焦深度还原算法获取深度信息。其基本原理为:首先,增强纵向色差光学镜头使得同一物点在不同光谱波段图像上的成像离焦程度不同;其次,快照式窄带多光谱图像传感器单帧曝光同时获取多幅窄带光谱图像;再通过离焦深度还原算法根据多光谱图像边缘梯度获取3D信息。实验采用纵向色散增强型光学成像系统及快照式多光谱相机捕获450±10 nm、525±10 nm、620±10 nm 3通道光谱图像,对5 m内场景进行3D深度恢复,获得了深度误差不高于5 cm的测量结果。实验结果表明多光谱3D视觉方法可以实现单目、所提单帧图像的深度估计。该方法能同时获得视觉及深度信息且无需空间位置配准及预先深度刻度,单帧图像处理平均耗时0. 186 s,图像采集系统尺寸为120 mm×77 mm×65 mm,其工作功率约为10 W,兼具时间效率高、体积紧凑、能耗低等优点。因此,所提方法有望在无人驾驶及智能机器人等领域获得广泛应用。     

基于Hartmann-Shack波前检测原理的微透镜阵列焦距测量

基于哈特曼波前传感器检测原理,结合图像清晰度定焦技术,提出了一种测量微透镜阵列焦距的方法,介绍了测量系统的组成和原理.首先利用平行光管的出射平面波前在被测微透镜阵列焦面上成像,利用标准透镜产生的球面波前在微透镜阵列焦面附近成像.然后,根据平面波前和球面波前经过微透镜阵列成像时微透镜阵列焦面上光斑的偏移量,计算相应的微透镜阵列子单元的焦距.最后,基于图像清晰度定焦技术,通过不确定度分析和实验测量验证了该方法检测微透镜阵列焦距的可行性.测量结果表明,该方法对微透镜阵列焦距检测精度可达到3％;同时,一次测量可完成微透镜阵列多个子单元的焦距标定.相对于传统的检测方法,该方法具有较高的检测精度和效率.     

数字全息术用于光学元件表面缺陷形貌测量

利用像面数字全息显微术对光学元件表面缺陷的三维形貌测量进行了理论及实验研究。设计并搭建了相应光路系统记录全息图,采用角谱算法数值重建物光场,通过相位修正消除了系统误差引入的波前畸变,获得了经过待测光学元件表面缺陷调制的物光相位分布,并根据建立的相位分布与表面缺陷面形的关系模型计算得到缺陷三维形貌。实验以多个划痕和麻点等常见表面缺陷作为测量对象,分别获得了它们的三维形貌,以其中一条实际宽度为35μm、深度为270nm的划痕为例,测量得到该划痕的宽度为35.21μm,平均深度为267.6nm,与真实值相比,横向测量误差为0.6%,纵向测量误差为0.9%。实验结果证实该测量方法是有效、可靠的,能够准确测量光学元件表面缺陷的三维形貌,因而有助于判断光学元件损伤程度以及分析缺陷对系统波前的影响,对保障高功率激光装置的安全正常运行有重要意义。     

点衍射波前位相的测评

提出一种检测点衍射干涉仪关键部件针孔所产生的衍射光学波前的方法。介绍了点衍射波前的产生原理,分析了小孔质量状态、照明光路调整状态与波前各个像差分量之间的关系。基于信息光学基础理论,采用傅里叶变换和迭代算法,采集针孔衍射图像并进行计算分析,实现对衍射波前的位相复原以获得波前信息。阐述了测试方法的理论依据和计算公式,应用研制的位相复原分析计算软件测试并分析了实际采集的点衍射图像,通过15次的迭代,输出的位相值逐渐收敛,图像误差因子下降到0.12。目前,该方法已用于对针孔的筛选和针孔照明系统的装调中,实验结果证明了该测试方法的可行性。     

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。     

基于波前编码技术的眼底成像系统

提出了一种混合光学-数字眼底成像系统,该系统不需要探测和补偿不同人眼带来的像差的动态变化,即可获取高分辨率的视网膜图像。该系统在出瞳位置放置一块三次相位掩膜板对眼底图像进行编码,然后采用维纳滤波算法复原获取清晰图像。利用基于光学成像的二维卷积模型对该系统进行了仿真实验,结果表明,针对不同个体的人眼像差,三次相位板可以使系统的点扩散函数在一定范围内保持一致,从而校正包含离焦、彗差、像散、三叶草在内的人眼像差,获得清晰的眼底图像。该系统的设计简化了传统眼底相机的复杂光学结构,是一种便携式结构。     

离轴反射式人眼视网膜成像自适应光学系统设计

为了实现活体人眼视网膜的高分辨率成像,设计了一套视网膜成像液晶自适应光学系统来校正人眼的动态变化像差。基于开环双波段模式,分别采用夏克-哈特曼波前传感器(SHWS)和基于硅基板上的液晶空间光调制器(LCOS-SLM)来探测和校正人眼以及系统的波前像差;且分别采用近红外波段(790nm)的超发光二极管和可见光波段(570nm)的激光器作为波前探测和校正成像光源。系统采用离轴反射式结构来提高光能利用率,减小色差。用ZEMAX对系统性能进行了分析,证明设计的系统能够达到衍射极限,MTF@30lp/mm为0.4(对应视网膜上4μm),MTF@50lp/mm为0.16(对应视网膜上2.5μm)。和闭环折射式系统相比,能量利用率提高1倍以上,且杂光和色差干扰小,成像对比度好。     

结构光测量中相位误差的过补偿与欠补偿校正

针对现有结构光测量中采用的相位误差补偿算法存在的相位误差过补偿或欠补偿问题,提出了一种新的相位补偿误差校正算法。推导了环境光下四步相移的相位误差数学模型,解释了相位误差过补偿、欠补偿的产生原因;通过数学推导获得相位误差的解析表达式,提出了相位误差过补偿、欠补偿的校正算法。该方法通过向标定平面投射4步相移图像、16步相移图像与黑白图像获得相位误差系数;然后在8种不同环境光条件下重复这一步骤获得多组系数;最后运用参数拟合法获得相位误差数学模型的具体表达式。实验结果表明:无论在黑暗环境还是光环境下,利用该修正方法进行相位误差补偿后均可使相位精度达到0.002rad,比进行相位误差补偿前提高了8.6倍左右,比查找表(LUT)提高了2.5倍左右。该算法精度高,速度快,能有效解决相位误差过补偿、欠补偿的问题。     

H-S波前传感器在大尺寸测量中的应用研究

针对目前激光大尺寸测量系统中的空气扰动问题，提出一种采用波前探测和图像恢复技术相结合的解决方法。该方法采用Hartman—Shack波前探测器，直接应用Zemike多项式来波前重构，然后运用图像解卷积运算进行图像恢复，以减小和消除测量激光束因大气扰动而产生的抖动、变形，从而提高测量精度。