大型自由曲面离轴三反光学系统降敏设计(特邀)EI北大核心CSCD

离轴三反光学系统基于无孔径遮拦、可实现大视场等优势,结合自由度高、像差校正能力强的光学自由曲面,可以实现优异的光学性能。光学系统成像指标的不断提高促使反射式光学系统的口径和焦距不断增大,光学系统误差敏感度剧增,加工难度和装调敏感度也随之提高,耗费的时间和经济成本巨大。误差敏感度可以表征光学系统在失调后的敏感程度,误差敏感度低的光学系统公差精度要求宽松,在优化过程中控制误差敏感度可以实现像质与成本之间的最佳平衡。因此,降敏优化是光学系统设计过程中不可或缺的一环。文中提出的角度优化降敏设计方法和局部曲率控制降敏设计方法对一个焦距30000 mm、F数为15、视场角1°×1°的大型自由曲面离轴三反光学系统进行了降敏设计并进行对比,结果表明,在光学系统构型无显著差异的情况下,使用两种降敏设计方法降敏后的光学系统像差校正理论结果均表现优异,调制传递函数(MTF)均接近衍射极限,两种降敏设计方法均可以有效降低光学系统误差敏感度。对比发现,局部曲率控制降敏设计方法降敏效果更好。     

轻小型大视场自由曲面离轴光学系统设计

随着空间技术的不断发展,高性能、低成本的轻小型空间光学系统成为空间光学领域一个新的研究热点。离轴三反光学系统具有成像质量高、大视场、轻量化程度高等特点,能够更好地适应轻小型、低成本空间光学系统的应用要求,具有广泛的应用前景。以高斯光学和三反消像差理论为基础,设计了一款第三反射镜为自由曲面的离轴三反光学系统,焦距1 550 mm,视场3.60.45,相对孔径1:6.2,自由曲面的加入极大地提高了系统设计自由度和成像质量。设计结果表明,在有效视场内系统成像质量良好,fMTF优于0.43@111 lp/mm,系统最大波像差为0.049 （=632.8 nm）,平均波像差RMS值为0.034 ,最大网格畸变0.9%,成像质量相对于子午面完全对称。系统的总长小于f'/3.1,高度小于f'/4.1,且系统的加工和装配公差较为宽松,易于实现。该设计结果对轻小型空间光学系统的设计具有一定的参考价值。     

轻小型立体相机光学系统研制

针对民用低成本立体成像的应用需求,设计了一种轻小型立体成像相机光学系统,旨在于在250 km轨道高度地面实现像元分辨率为50 m的立体成像,该光学系统在焦面探测器配合下,既可实现立体成像,又可实现大画幅面阵成像。该系统焦距f'=32 mm,视场角2=66,相对孔径D/f'=1:6.8,工作谱段450~750 nm。光学系统设计中,采用反远距系统与消色差显微物镜两种光学结构组合的形式,最终全视场光学传递设计值优于0.49@78 lp/mm,几何畸变小于0.1%,边缘视场与中心视场照度比0.83,边缘视场与主光线入射角小于15。光学系统采用精密定心装配,并对成像质量进行了检测,装调后相机光学系统传递函数的测试值均优于0.4@80 lp/mm,满足实验室静态传递函数优于0.2的指标。该光学系统在成像幅宽、几何畸变数值等方面的指标均优于国内外典型立体相机。     

航空相机光学镜头被动消热一体化设计与验证分析

航空相机的使用环境温度变化范围较大,温度的变化会在相机光学镜头中产生温度梯度,影响相机成像质量。为保证相机光学系统的成像质量,需要对镜头在一定温度范围内进行消热设计。运用ZEMAX光学设计软件对某航空相机光学系统进行了热分析,并根据分析结果运用ANSYS软件实现了多片式、大视场角光学镜头被动式消热光机一体化设计,通过镜头内部补偿环节沿轴向的微位移改变镜间距,实现对光学系统不同温度下像质的补偿。同时,研制消热补偿试验件,采用一种高精度光学非接触式在线直接检测微位移的方法,精度达到±1 μm,完成了消热补偿试验件微位移测试。结果表明:不同温度下的微位移量与分析数据一致,最后通过对采用该消热一体化设计的实际航空镜头在不同温度下的像质检测,验证了该设计的有效性,镜头在各温况下性能良好。     

地面景物模拟器的光学系统设计

为了使CCD立体相机与干涉成像光谱仪在发射前能够快速检测图像质量,设计并研制了一种应用于CCD立体相机与干涉成像光谱仪共用的地面景物模拟器光学系统.介绍了地检景物模拟器的光学系统方案,根据实际使用要求,确定了地面景物模拟器光学系统的设计参数.该系统焦距为150 mm,视场角为10°,空间分辨率为36lp/mm,光谱适应范围为0.48 ～0.96 μm.设计结果表明,地面景物模拟器光学系统对被检CCD立体相机与干涉成像光谱仪的图像质量几乎没有影响.其奈奎斯特空间频率上的MTF与CCD立体相机和干涉成像光谱仪的MTF值几乎一样.为验证光学成像探测系统CCD立体相机与干涉成像光谱仪的光机及电子学系统的状态是否正常提供了依据.     

轻小型高分辨空间光学系统的参数选取和设计

光学系统的大小决定着空间相机的体积重量及制造和发射成本,随着用户对分辨率等要求的不断提高,以及空间竞争的日益激烈,对轻小型长焦距空间光学系统的研究显得极为迫切.光学系统重量体积轻小和长焦距是一对矛盾的要求,一般来说,焦距越长,分辨率越高,但光学系统的口径、重量、体积也将越大,甚至于超出目前的运裁能力.因此,如何合理地选择光学系统的参数,已成为设计和研制高性能空间相机的关键之一.探讨轻小型高分辨率空间遥感光学系统视场、焦距、口径等基本参数的选取,重点从基于调制传递函数的判据,给出确定光学系统口径的方法.指出口径参数完全由空间相机地面分辨率要求和轨道高度决定.作为例子,设计得到了适用于轻小型高分辨率空间遥相机的长焦距光学系统,它由三块同轴二次非球面反射镜组成,其光学长度不到焦距十分之一、性能接近理论极限.     

空间高分辨率光学系统几何畸变标定技术

遥感相机光学系统畸变系数作为影响相机在轨成像质量的关键因素,其检测精度一直以来都是遥感相机研制过程中的核心环节。传统的测角法主要依靠高精度二维转台,实现了光学系统视场角与像高之间的精准对应,该方法对测试设备和测试环境要求苛刻。随着相机焦距、口径和体积的增大,对于转台设备的尺寸与测量精度也日渐提升,单纯依靠提升测试设备性能无法满足后续各类高性能遥感相机的研制需求,尤其对于垂直装调类超大口径空间高分辨率光学系统,该方法不可行。在传统精密测角法的基础上,提出一种基于干涉原理的空间高分辨率光学系统几何畸变标定技术,相比于传统的精密测角法,该方法在同等测试精度的基础上,具备更广泛的适用性,其不再受限于测试设备的尺寸与精度限制,可同时满足各种类型遥感相机的畸变测试需求。文中详细介绍了该畸变测试方的基本原理、测试方法与误差链路,并对该畸变测试方法进行了应用验证,将结果与传统畸变测试方法进行对照,表明该方法的测试精度满足遥感相机的研制要求且适用范围更广,对航天长焦距大口径遥感相机研制及畸变测试有参考借鉴意义。     

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。     

空间相机整机有限元分析

相机的结构空间是相机的重要子系统,是保证相机成像质量的关键之一。光学反射镜在重力和微重力环境变化以及热控温度范围变化综合影响下,面形误差变化量RMS和PV值是衡量相机成像质量的重要指标,结构还必须保证满足光学设计提出的各反射镜的各种公差要求,为保证相机在运输以及发射过程中能承受住恶劣的振动条件,需要整机有足够高的动态刚度和合理的模态分布。利用CAD/CAE技术对空间相机整机进行大量的工程分析,分析比较计算结果,此相机满足设计指标。CAE技术对空间相机光机结构设计起着重要的指导作用,是现代设计方法的重要手段之一。     

低空高分辨率激光雷达光学系统设计

针对“低慢小”目标光学成像识别能力差、复杂背景下信噪比低等问题，设计了一款低空高空间分辨率激光雷达光学系统。发射光学系统扫描器件采用MEMS反射镜，设计了专用扩束光学系统保证不同扫描角度发射激光的光束质量；接收光学系统采用物镜、数字微反射镜器件结合偏振器件，可同时实现激光回波接收与可见光成像，相较于采用单点探测器接收的激光接收系统，具有背景噪声低的优势。给出了光学系统的性能参数，利用光学设计软件设计了光学系统，该系统空间分辨率为0.5 mrad/pixel，扫描点阵列规模为200×200。模拟结果表明设计方法可行，计算其在大气中的探测距离可达到1000 m，背景噪声相较于单点探测器接收系统可降低约22162倍。     

环型孔径折叠型超薄镜头

介绍一种环型孔径光路折叠型超薄光学镜头,可以在有限厚度和体积内得到较长的焦距。光线通过镜头最外面的环形孔径进入光学系统,然后再通过一系列的同轴环形非球面反射镜反射聚焦在光学系统的像面上,实现了光学系统的大口径与超薄特性。此系统具有小型系统的紧凑性优势和大型系统的成像性能优势。文中对此类光学镜头进行了优化设计,并给出了像质评价结果。此系统适用于对光学镜头体积和质量要求比较严格、传统成像系统不适用的情况。     

一体化EMCCD微光相机的设计

电子倍增电荷耦合器件(E1ectron Multiplying Charge Coupled Device,EMCCD)是一种新型高灵敏度图像传感器。近年来,EMCCD相机在微光探测领域的应用越来越广泛。为了在微光相机中应用新型EMCCD器件,设计了一种探测能力强、数据更新快、具有一体化光纤接口的微光成像系统。主要研究了EMCCD相机的设计方法,说明了EMCCD的工作原理,论述了基于TC253SPD—BO的EMCCD微光相机的设计方案。用成像实验和信噪比测试实验验证了所设计的一体化微光相机的性能。结果表明,该相机不仅可以实现20km以上的数据传输和30f/s的拍摄帧频,而且还可实现弱光条件下的探测功能,并具有较高的系统信噪比。     

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。     

工业相机自热引起像点漂移模型与补偿方法

In order to reduce the influence of temperature on the image point coordinates of industrial cameras in visual measurement, the image point drift caused by the self-heating of the camera was studied, and a compensation method for the thermal image point drift of industrial cameras was proposed. The finite element simulation analysis of the industrial camera model through Ansys Workbench shows that the self-heating of the industrial camera will cause the imaging optical path change and sensor expansion change, quantitatively the influence of the optical path change and sensor expansion on the image point coordinates was analyzed, and the image point drift compensation model was established. A large number of experiments have shown that the image point drift error compensated by the model is reduced from 0.4-0.6 pixel to 0.1-0.2 pixel, which is equivalent to the image point drift suppression effect achieved by hardware thermal control. However, compared with the thermal control device, the method of using the model for compensation has obvious advantages of simple structure and low cost. The temperature compensation model proposed in this research provides a theoretical basis for reducing the image point drift error caused by the self-heating of the camera in the visual measurement.     

相机阵列在空间目标观测中的应用综述

相对大口径光学系统,相机阵列光学系统具有开发周期短、成本低的特点,近年来,被广泛使用于空间目标观测项目,以实现低成本、大视场、高分辨率、高探测能力的光学观测,在太空安全中具有重要的应用价值。介绍了国内外相机阵列光学系统在空间目标观测中的应用现状与最新进展,针对空间目标观测中的需求,着重从视场、分辨率、探测能力三个方向分别对相机阵列光学系统的结构组成和性能参数进行介绍,并进行比较,总结了相机阵列光学系统在空间目标观测中存在的问题及发展趋势。     

Novel calibration method for camera array in spherical arrangement

A camera array placed in a spherical arrangement facilitates a new paradigm for future interactive visual applications, and the calibration of the cameras is a crucial task for such implementation. It is difficult to apply previous calibration methods to this special camera system because opposite features can commonly be found among the opposing cameras used in this system. In this case, a part-by-part calibration may fail in terms of error accumulation. In this paper, we propose an opposite feature based camera calibration method for a camera array in a spherical arrangement. An adaptive scheme is designed on a cube with opposite colour patterns and optimisations in handling the above problem of opposite features being invisible to cameras at opposite positions, based upon which, with our method, a common visible feature point is not required in advance. By applying a practical camera array in a spherical arrangement, and using 3D modelling, the superiority of the proposed method was verified through computer simulations. The results demonstrate that the proposed calibration method can contribute to the imaging system and future visual applications.     

紧凑低成本非制冷长波红外连续变焦光学设计

随着红外技术的快速发展,SWaP-C (尺寸小、质量轻、功耗低、成本低)概念已深入红外热像仪整机设计全过程。在非制冷连续变焦红外热像仪设计中,相对已模块化的非制冷探测器与成像电路、光学系统影响整机包络尺寸、产品质量及价格成本,因此设计一款总长短、质量轻、成本低、性能高的非制冷长波红外连续变焦光学系统将具有广阔的市场前景。非制冷长波红外连续变焦光学因相对孔径大、光学材料种类少等因素存在系统小型化和无热化设计难题,通过采用变F#设计方法约束物镜尺寸;利用三组联动变焦技术平衡像差、压缩系统总长;通过主动补偿的消热差技术使得系统在-40～+60℃温度范围成像质量良好,实现四片透镜构成的非制冷长波红外连续变焦光学系统设计。该系统工作波段为8～12μm,焦距变化范围为20.7～126 mm,对应F#为1.05～1.2,视场变化范围为21°×16.8°～3.5°×2.8°,变倍比为6.0×,最大物镜直径116 mm,光学系统总长180 mm,光学零件总质量418 g。该光学系统具有轻小型、高性能、低成本等SWaP-C特征,将在无人装备平台及手持热像仪设备中得到广泛应用。     

消除光学渐晕的FPGA实时校正系统

光学渐晕效应存在于大部分光学成像系统,严重影响成像质量。如何有效改善光学渐晕效应是航天光学遥感器设计的要点。采用辐射定标方法量化成像系统中光学渐晕效应的影响,并获得校正系数。采用多项式拟合方法对校正系数进行优化,拟合后校正系统减少约3个数量级,大大降低了对嵌入式系统存储资源的需求。通过多项式拟合方法有效减少了校正系数,对光学渐晕效应改善效果良好,校正前相机的非均匀性误差为13.2%,校正后非均匀性误差降至3.8%,满足一般成像系统对响应非均匀性的要求。该方法校正系数少,适合在基于FPGA处理器中实现,实时性强,资源占用少,具有工程实用价值。     

轻小型推扫视频一体化相机设计与验证

介绍了一种轻小型推扫视频一体化微纳遥感相机的综合优化设计思路。系统设计时综合考虑星地一体化处理,采用大F数RC系统降低产品光机体积重量;电子学采用商用货架产品加固技术实现高性能同时降低成本,星上数据处理采用数字TDI技术实现面阵相机推扫视频一体化成像,大幅提升成像效能。采用该方法设计的微纳遥感相机具备视频、推扫、条带等多种工作模式,满足不同应用场景需求。该技术在欧比特视频相机等微纳遥感载荷的设计及研制中进行了应用,在轨获取了高品质的视频及遥感图像,在商业遥感载荷市场具有广阔的应用前景。