使用梯度折射率液晶微透镜阵列的光场成像

光场成像可以获取场景的三维信息。通过在主透镜和图像传感器之间插入一个微透镜阵列,不仅可以记录光线的辐射度,还记录了光线入射的方向。提出了使用梯度折射率液晶微透镜阵列进行光场成像的方法。该阵列基于向列相液晶材料,利用其各向异性和双折射的特点,通过紫外光刻技术和湿法刻蚀技术制作,具有圆孔阵列图案。在该阵列的上下电极之间加载一个交流电压信号后,每个微透镜可以有效会聚入射光,搭建了测试系统来测试该阵列的聚焦特性和焦距。将该阵列与一个主透镜和一片图像传感器耦合得到一个光场成像相机,并使用该相机采集了图像。     

大视场曲面仿生复眼光学系统设计

为了解决传统成像系统存在的大视场与高分辨率不可兼得的问题,设计了大视场曲面仿生复眼光学系统。首先,针对所采用的间隔型圆周分层微透镜阵列排布方式,建立了一种曲面仿生复眼光学系统成像原理数学模型;再使用微透镜阵列与转像系统相结合的成像方案解决了微透镜阵列所成的曲面像与平面探测器不匹配的问题;并使用光学设计软件对该系统进行仿真分析及公差分析。设计得到的曲面仿生复眼光学系统总视场为152°,组合系统的焦距为61.14 mm,角分辨率为2.304″,系统总长为16.39 mm。相对传统的大视场成像系统而言,此曲面仿生复眼成像系统的畸变更小、分辨率更高。     

使用液晶微透镜的高分辨率三维重建双模相机

提出了一种基于液晶微透镜阵列的双模成像相机。该相机通过打开或者关闭加载在液晶微透镜阵列上的低频电压信号可以快捷地在传统平面成像模式和光场成像模式之间进行切换。液晶微透镜阵列通过常规紫外光刻和湿法刻蚀技术制作而成。通过将液晶微透镜阵列和感光传感器阵列以及主镜头耦合到一起,构造了一个双模成像相机的原型。通过该双模成像相机开展了相关实验,获取了同一目标物的光场图像和平面图像,并对孔径设计和两种工作模式下的景深进行了分析,给出了光场成像模式下目标物三维信息的计算方法,通过将三维光场数据和对应二维平面数据的信息进行融合获得了高分辨率三维图像。     

基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系 统设计

针对凝视型红外成像告警设备中对场景目标进行大视场广域搜索与小视场精确识别一体化的应用需求,设计了一种基于共心球透镜的大视场高分辨率红外变焦成像系统.该系统采用由多层共心球透镜和可连续变焦的独立次级小相机阵列级联而成的二次成像结构,能够有效实现大视场高分辨率无畸变成像.此外,采用全动变焦设计的独立次级小相机阵列在对搜索到的目标进行探测、识别和跟踪的一体化检测的同时保持像面稳定,实现对成像场景的分区域管理.设计结果表明,该红外成像系统在全变焦范围内的调制传递函数(MTF)曲线均接近衍射极限,且变焦曲线平滑,避免了变焦过程中卡滞、冲击等不利现象的产生,能有效实现大视场监测及小视场识别的功能.     

液晶微透镜阵列研究进展

液晶微透镜阵列作为基本的光学元件之一,具有焦距可调、结构紧凑、低功耗、稳定性好等优点,在微纳光学领域有广泛的应用。经过近40年的发展,液晶微透镜阵列的研究日趋成熟,不同结构形式和应用于不同场景的液晶微透镜阵列层出不穷。本文系统总结了液晶微透镜阵列的3种工作原理,并对近年来的研究进展分类进行描述,重点放在液晶微透镜的制作过程、结构特点和工作原理,具体介绍了基于光的折射和衍射原理的液晶微透镜阵列,涉及透镜结构、液晶取向技术以及透镜阵列的应用等方面。最后总结了液晶微透镜阵列存在的问题和发展趋势。     

基于大Δn液晶材料的短焦距透镜阵列

为了在不改变液晶透镜孔径的基础上减小其焦距,本文提出了一种基于大 Δn液晶材料的短焦距透镜阵列.该透镜阵列采用大 Δn液晶材料,使其在低驱动电压下便可以积累较大的光程差.下基板采用ITO驱动电极与ITO接地电极交替排列的结构,且ITO驱动电极位于介电层上方.ITO接地电极使其边缘区域内存在弱电场,介电层平滑了液晶层内的...     

基于聚合物突起的液晶透镜阵列

提出了一种基于聚合物突起液晶透镜阵列。该液晶透镜阵列的周期性聚合物突起上镀有氧化铟锡透明电极，利用介电层抹平相剖面，通电状态下在液晶层内部产生沿透镜孔径呈线性变化的垂直电场，在液晶层内形成了呈中心对称的梯度折射率分布，从而使液晶层对入射光线有聚焦作用。优化后的液晶透镜阵列采用较薄的液晶层，大幅缩短了液晶透镜阵列的响应时间。所提液晶透镜阵列具有工作电压较低、电极简单、基板内部侧平面化和液晶层厚度均匀等优点。仿真结果表明，通过改变驱动电压，该液晶透镜阵列的焦距可以从无穷大连续调节到1.28 mm。     

蓝相液晶及其在微透镜器件中的应用

聚合物稳定蓝相液晶(PSBPLC)具有响应速度达到亚毫秒量级,偏振光独立及工艺无需取向工艺等特点,在显示技术及光电子器件领域有潜在的巨大应用空间。文章论述了PSBPLC微观相变模型、宏观克尔效应等特性。在此基础上,论述了蓝相液晶微透镜技术的发展。介绍了PSBPLC实现微透镜阵列的主要结构,包括圆孔电极的蓝相液晶透镜;曲面电极的蓝相液晶透镜;多电极蓝相液晶GRIN透镜;模式控制的蓝相液晶透镜,以及采用ZnO纳米棒为电极实现蓝相液晶透镜,对比了上述几种透镜的结构和特点。     

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。     

基于微相机阵列成像系统的图像拼接研究

采用同心球镜及微相机阵列成像系统设计是解决传统光学中大视场与高分辨率之间相互制约关系的有效手段之一。介绍了一套同心球镜微相机阵列的成像系统,通过拼接微相机阵列采集的图像,实现大视场高分辨率成像。在获取整个图像的过程中,实现多幅子交叉重叠的图像拼接是微相机成像系统关键技术之一。针对亿级像素多幅子图像拼接算法复杂、运算量大的问题,分析了SURF、BRISK算法的优缺点,设计了一种SURF与BRISK相结合的图像拼接算法,在SURF基础上引入BRISK描述符,利用选取的像素点对生成二进制的描述符序列。经测试,该算法在保证成像质量的情况下,大幅减少了计算量,加快了计算速度,有一定的工程应用价值。     

超轻小宽视场高分辨无人机机载相机光学系统设计

针对无人机光学载荷宽视场、高分辨、轻小型、实时成像等需求，基于级联光学结构设计了一种折叠式级联相机光学系统。该光学系统主要由前置折叠同心物镜和中继转像透镜阵列组成。前置折叠同心物镜获取宽视场中间像，位于前置折叠同心物镜的同心球面上。中继转像透镜阵列对同心球面上的宽视场中间像进行视场细分、剩余像差精细校正和中继成像。优化设计得到了全视场角为109.6°、瞬时视场为7.8″，筒长仅为107 mm的折叠式级联结构相机光学系统。在全视场范围内，像面上各处光线追迹点列图的均方根半径均小于1.1μm，在空间频率230 lp/mm处，各视场调制传递函数值大于0.4，系统成像质量接近衍射极限。这种折叠式级联结构无人机机载相机光学系统视场大、分辨率高、结构紧凑，可用于无人机遥感领域，在大视场范围内获得高分辨率光学像的同时，还可实现光学系统的小型化和轻量化，具有广阔的应用前景。     

小视场集成成像三维信息获取技术研究

为了满足利用非接触式方法获取小 视场三维信息的要求, 研究了一种基于集成成像技术获取小视场三维信息的系统,并在借鉴传统微透镜阵列(MLA) 及相机阵列工作模式的基 础上,通过利用精密二维平移台,巧妙地将相机阵列应用于获取小视场三维信息中。系 统工作时,首先将相机 获取的图像合成元素图像阵列,并运用相应的算法实现三维重建与测量。实验结果表明,本 文系统获取了相对清晰、没有相互串扰的元素图像阵列,实现了完整且细节丰富的三维 图像再现;可以 获取待测物体上任意一点的三维坐标,并且三维测量误差保持在0.3 mm 以内。实验结果相对理想,为集成成像技术应用于高精密测量提供了理论基础。     

大视场太赫兹光学成像系统设计

太赫兹（THz）波具有较高的透过性和时空分辨率等特性，在空间观测领域具有广阔的应用前景。对比于扫描成像，凝视成像具有成像性能高、速度快、结构简单等优点，而大视场成像是凝视型光学系统所必需的。因此，设计大视场凝视型THz光学系统具有重要的工程应用价值。采用反远距结构，利用Zemax设计了一款相对孔径为1、全视场角为60°的大视场THz光学成像系统。该系统采用4片式反远距共轴结构，由2片球面透镜和2片非球面透镜组成，同时透镜材料采用聚甲基戊烯（TPX）材料，整个系统具有结构紧凑、质量轻等优点。优化结果显示，各视场内的弥散斑均方根半径均小于艾里斑半径，在空间频率为12.5 lp/mm处全视场的调制传递函数（MTF）值高于0.3，表明该系统具有良好的成像质量。此外，公差分析结果表明，该系统具有较好的稳健性，加工工艺水准易于实现，符合设计要求。本设计对于THz空间大视场高分辨探测具有重要参考价值。     

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。     

编码掩模红外成像的建模与性能分析

针对编码掩模红外成像系统提出了一种建模方法。该模型将成像系统视为由两个功能部分组成,一部分为编码掩模与理想聚焦透镜的理想成像,另一部分为实际透镜自身的非理想成像。据此,系统点扩散函数可以由掩模结构的衍射模式和实际透镜的点扩散函数联合表示。此外,文中对视场内倾斜入射平面波的成像结果进行分析,从而得到了视场内的点扩散函数的变动情况。由码型及相应点扩散函数的指标评价结果可以看出,文中提出的基于Dammann阵列的码型结构对直接成像和图像还原处理具有较为平衡的性能。实验表明,对于编码掩模直接成像系统的码型中应当具有较多的随机性结构,而对于能够做进一步图像还原处理的系统码型中应当具有较多的周期性结构。     

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。     

应用光学自由曲面的曲面结构大视场仿生复眼系统

受限于制造技术,大多数仿生复眼的传感器为平 面结构,与生物复眼的曲面结构存在差异,限制了其成像质量和视场 扩展。本文设计制造了一个模拟生物复眼结构的大视场仿生复眼,将16mm CCD传感器组成2×8的曲面阵列,并 设计制造了配套的单层结构的曲面2×8透镜阵列,各透镜与传感器成 一一垂直对应关系,贴合了生物复眼的结构特征,消除 了传统复眼的离轴像差。通过引入光学自由曲面和非球面,保证了单层结构透镜阵列的成像 质量,单层透镜阵列降低了系统 的制造及装配难度。系统实现了180°×75°视场范围内无盲区的图 像采集。实验结果表明,与传统鱼眼镜头相比,本文系统畸变更小,分辨率更高。     

分视场成像光谱仪

设计了一种地面分辨率为5m(飞行平台20km),视场角为60°×60°的成像光谱仪系统.该系统采用了微透镜扫描器和微F-P腔可调协滤波器作为整个系统的核心器件.首先60°×60°视场分为四部分,然后微透镜扫描器将这四部分视场分次成像到CCD上,通过这种方法,不但获得了大视场,同时还保证了高分辨率.另一方面,微F-P腔可调协滤波器替代了传统的切换滤光片的方式,只要通过控制微F-P腔的腔长就能实现对特定波长的选择.     

基于六边形紧密拼接结构的仿生复眼系统设计

基于仿生复眼的视觉优势,分析了仿生复眼的研究进展,对复眼的成像原理及部分昆虫复眼的结构进行了研究。根据生物复眼的结构形态,设计了六边形紧密拼接形式的曲面微透镜阵列及转像系统。同时,为了防止相邻子眼间的成像光束串扰,设计了单个光阑长度为1.5 mm的光阑阵列,实现了各子眼的单通道成像。根据光瞳衔接原则,对微透镜阵列和转换系统进行组合并优化。整个复眼的口径为8.66 mm,视场角为121°,每个子眼的口径为500 μm,子眼视场角为6°,在90 lp/mm处,复眼系统的MTF值均大于0.3,其RMS半径均小于艾里斑半径,系统成像质量达到设计要求。为满足3D增材制造工艺需求,设计了复眼系统的机械结构。公差分析结果表明,3D增材制造工艺可以满足系统的像质要求。     

用于运动目标探测的球面复眼透镜的结构设计

提出了一种球面复眼成像系统的结构设计方案.基于电场操控液滴透镜面形可实现变焦的技术,在球壳基底上制作非球面液滴透镜并用电场改变其焦距以满足不同视场角的成像要求,通过折转透镜将不同视场角的入射光聚焦在平面CCD的不同位置,从而在获得大视场的同时改善了边缘光线的成像质量.讨论了非球面液滴透镜的制备过程,设计了球面复眼透镜系统的结构,并利用ZEMAX软件进行光学建模,分析了单个通道的成像性质以及各个通道在成像平面上的位置关系.结果表明:该结构在±45°视场角内对边缘光线的成像质量有明显的改善作用,在大视场成像的同时保持了低像差,可以满足运动目标检测的应用要求.