头盔显示器光学系统小型化设计

在满足设计指标和实际使用要求的基础上,在传统头盔显示器球面光学系统中引入非球面和自由曲面系统,校正系统像差,使头盔显示器光学系统更加简单和轻巧。应用Zemax软件,设计出了视场40°×30°;出瞳直径10mm;波长540～560nm;后截距大于3mm;分辨力33.3lp/mm空间频率处的调制传递函数(MTF)值大于0.1的离轴双通道头盔显示器光学系统。     

红外多目标复合仿真光学系统设计

基于透射式复合投影以及微透镜阵列扩束设计了适用于1~3 μm和3~5 μm波段的红外多目标复合模拟器的光学系统。该模拟器的干扰光路采用透射式复合投影并利用微透镜阵列完成扩束。此外,采用前无焦系统和后聚焦镜组结合的方式,通过在平行光路中引入平面耦合镜,实现了目标和干扰光路共用一套投影系统。设计过程对目标光学系统、干扰光学系统和主投影光学系统分开优化,之后对系统进行整体优化。该系统入瞳距为200 mm,视场为±4°,全视场调制传递函数（MTF）在20 lp/mm时大于0.6,接近衍射极限。文中分析了加工装调完成后光学系统的实测MTF数据,结果表明,MTF在20 lp/mm时大于0.3,完全满足应用技术指标。该系统已成功应用于新型红外目标模拟器,对未来红外仿真光学系统的设计有参考意义。     

360°高阶非球面反射式全景镜头设计

为了简化系统配置、提高图像采集及处理效率,实现单一光学系统环视高清全景成像,依据折反射式光学系统的工作原理,设计了高阶非球面反射式360°全景镜头,并对光学结构和系统像质进行优化设计。该相机采用高阶非球面反射镜压缩视场角,将垂直光轴方向俯仰角从-55°到20°的环视目标光引入到系统,接着,在后续光路中利用玻璃透镜组对目标光进行接收,并使其聚焦于相机靶面,获得物体的环形全景图像。通过对系统像质的优化,得到高清的360°环视全景图像,并对光学系统的主要性能指标进行了分析。所设计的360°全景镜头采用1片高阶非球面反射镜和10片玻璃球面镜组成,系统的焦距为0.4mm,光圈数为2.2,俯仰角达到75°,像方全视场在150lp/mm处的光学传递函数值均大于0.3。该360°全景镜头采用单一光学系统成像,解决了传统拼接式全景镜头图像采集与图像处理效率低的问题,同时通过简化系统结构,使该产品符合成本低、可量产的要求。     

基于激光三角法的小物体尺寸测量及三维重构系统

根据激光三角测量法原理,设计了一套采用旋转平台的单目物体形貌测量系统。详细介绍了系统建模和硬件组成,并根据解析几何知识和系统的硬件特性,提出了标定坐标校正方案。最后,结合圆柱和圆锥体的测量数据对系统的测量精度进行了分析,并给出了尺寸介于4~30mm的被测对象三维重构图。实验结果表明,系统测量误差小于3.5%,该系统可望应用于宝石等小物体的三维测量、逆向工程以及优化设计中。     

谐衍射红外双波段双焦光学系统设计

利用谐衍射透镜相关特性,结合中波红外、长波红外的特点,以及变焦系统的基本原理,成功设计了仅含有四片透镜的红外双波段双焦光学系统。设计结果表明,系统具有100%冷光栏效率,在3.7μm～4.3μm的中波红外波段,光学传递函数在18lp/mm时大于0.7;在8.7μm～11μm的长波红外波段,光学传递函数在18lp/mm时大于0.5,均接近衍射极限。     

三线阵立体测绘相机光学系统设计

三线阵立体相机的光学系统决定了相机的外形尺寸和布局,保证相机的小型化、轻量化及稳定性是十分必要的,针对光学系统设计的指标要求,分析、比较了各种光学系统结构型式,设计了满足测绘要求的像方远心光学系统。设计的光学系统成像质量好,在Nyquist频率77lp/mm时,正视相机全视场的平均传递函数为0.613;前、后视相机全视场的平均传递函数为0.578。装调完成后对光学系统成像质量进行了检测,各相机光学系统传递函数的测试值均在0.451以上,满足对测绘质量的要求。     

小型数字投影结构光三维测量仪镜头设计

为了解决三维测量仪器的小型化问题,设计了一种数字投影结构光三维测量仪光路结构,并用Zemax软件进行了性能优化。该结构分为投影光路和照相光路,投影镜头采用反远距结构,由5片透镜组成,全视场调制传递函数大于0.35。照相镜头采用双高斯结构,由6片透镜组成,全视场调制传递函数大于0.12。两镜头口径均小于14mm,长度小于40mm,像面照度均大于90%,可以对80~120mm远的物体进行测量。投影图像像素密度为1 028×768,相机拍摄图像像素密度为1 280×960,在工作距离100mm处可以测量28mm×21mm的表面。镜头全部采用球面透镜。该结构具有测量精度高、成本低、加工容易、体积小等优点。     

空间成像与激光通信共口径光学系统设计

针对空间成像系统与激光通信天线同时需要大口径光学系统而使卫星载荷质量增大的问题,提出了一种成像光学系统与收发合一激光通信天线共口径工作的新型光学系统。从像差理论出发,给出了以主次反射镜为共用部分、成像和通信工作在不同视场的共口径光学系统初始结构设计方法。实际设计了共口径光学系统,该系统口径为600mm,次镜遮拦比为0.225,成像系统的传递函数在50lp/mm时大于0.47,接近衍射极限;发射分系统波像差远小于λ/20,发射激光的最小束散角可达4μrad,出射光斑质量良好;接收系统达到衍射极限,光斑远小于探测端面,满足探测要求。最后,进行了公差分析,给出了光学系统的装调方法。该设计通过共用主次镜减少了系统总质量和总体积,同时满足空间成像和激光通信系统的性能要求。     

面向光学装调微小距离测量的系统设计

光学仪器能否精准装调对其最终呈现的成像质量及性能有着重要影响。针对光学相机装校的修切量检测,提出了一种用于微小距离测量的光路方案并设计了一款物像等距的有限远共轭光学系统,其放大倍率为1×,数值孔径为0.09,视场为0.5°。根据实际应用需要,制定合理的光学指标,利用光学设计软件Zemax进行系统的设计与优化。结果表明,有限远共轭光学系统各视场在160 lp/mm处的调制传递函数均接近衍射极限,且都大于0.3,各视场的均方根半径小于艾里斑半径,满足光学指标设计要求。搭建实验平台,对装配星敏感镜头和CCD相机的修切圈进行测量,实验结果符合设计要求。     

双振镜点扫描三维形貌测量系统

针对远距离大尺寸物体三维形貌测量的要求,设计并实现了基于激光三角法原理的双振镜点扫描三维形貌测量系统。介绍了系统的结构和测量原理,并对系统进行建模,推导了被测物体表面测量点的三维坐标计算公式。构建了原型系统,利用专用的二维平面靶标在测量空间内自由摆放数次,根据靶标上特征点及其像点间的位置关系,以坐标系转换为基础实现了测量系统结构参数的现场标定。利用李萨如图扫描模式分别对靶标平面、已知直径的球面及石膏像自由曲面进行了测量实验。结果表明,测量距离1m处,测量点到拟合平面的距离误差均值为0.70mm,球面直径测量误差均值为0.51mm;测量距离10m处,测量点到拟合平面的距离误差均值为17.85mm。该系统可用于远距离大尺寸物体表面的三维形貌测量。     

斜视状态下航空遥感器像移的计算与补偿

航空遥感器成像过程中飞行器的向前飞行和姿态变化,使地面物体发出的光线相对于遥感器的光轴产生运动,从而引起共轭像点的运动,在成像介质上产生像移。运用光线矢量与光轴旋转变换相结合的方法,针对飞行器向前飞行使物体与光轴间发生的平移,以及飞行器姿态变化使光轴方向的改变,建立了光线矢量与光轴单位矢量间的关系,得到了航空遥感器在斜视状态下的像移模型。以实测遥感器的工作参数为条件,分析和计算了遥感器的像移,并给出了像移补偿的方法。实际应用证明光线矢量与光轴旋转变换相结合计算像移的方法,不仅综合了前向像移与姿态像移,而且计算简便,可推广于航空遥感器的研究中。     

影像法测量透镜中心误差的研究

基于现代传感技术和数字图像处理技术,通过对透镜中心误差的分析研究,提出了一种透射式影像法测量透镜中心误差的方法,建立了基于CCD图像的实时测试系统。实验表明,透镜中心误差测量的标准偏差达到了0．0038mm,极限误差为±0．0115mm,证明该系统对于测量透镜中心误差具有很好的实用性。     

Verticality detection algorithm based on local image sharpness criterion

In the high precision image measurement system,the verticality error between the axis of the shooting system and the measured object can bring error of the measurement result.The high demand of the system’s vertical degree is raised by measure system due to the demands of high precision and disposable full field imaging in the micro-parts imaging measurement.The existing method of optical axis verticality detection cannot meet the demand all.In order to achieve the high-precision adjustment of the system optical axis,the algorithm of detecting verticality based on regional image definition is proposed.First,the objected standard image is divided into fixed area.Then,the object plane is moved from the downside to the upside of the focus plane,meanwhile,recording the definition function values of each standard image region at each step,and fitting out the clearest positions of the regions.Finally,according to the inter-regional relations between the locations and the height difference of the each regional clearest position,the small angle between the optical axis and the measured surface can be calculated.The experiment is based on the given image of lithography template with the scale of 10 μm as move unit,and the results show that this method effective reduced the small angle between the system optical axis and the measured body in high-precision image measuring system,the evaluation accuracy is less than 0.1°,meeting the requirements in high-precision measurement.The proposed method of detecting verticality based on regional image definition can evaluate the verticality error between the axis of the shooting system and the measured object accurately,effectively and conveniently.     

胶片生产中在线观察系统的设计

为实现对胶片上微小杂质的在线观察,通过对微光像增强器和镜头进行选配并设计相关机械结构从而研制了一套胶片在线观察仪器。该仪器在线观察分辨力高、工作距离范围大且观察视场较大。其对杂质的观察分辨力可达12.5 lp/mm,可清晰成像的物距范围为200mm~300mm,观察视场大于50mm。仪器的核心部分是微光成像系统,重点围绕该成像系统的设计思路和步骤展开了全面讨论。     

光子计数法测量类针孔成像光斑照度

为了精确测量三代微光像增强器的信噪比,采用光子计数法研制了瞬态类针孔弱光照度计来实现微光像增强器阴极面上φ0.2 mm类针孔成像光斑的1.08×10-4 lx照度测量.首先,分析了色温为2 856 K的光源形成的类针孔弱光光斑的光子分布概率及光子数涨落偏差等光子统计特性,计算了平均光子通量.然后,针对类针孔弱光光斑的光子通量特点及成像特性,研究了光子计数法测量弱光照度原理.最后,介绍了瞬态类针孔弱光照度计的组成及测量方法.对三代微光像增强器的信噪比进行了测量实验,结果显示:三代微光像增强器信噪比测量装置的照度测量偏差为0.4％,像增强器信噪比测量不确定度为5.0％,表明基于光子计数法研制的瞬态类针孔弱光照度计有效提高了类针孔光斑极弱照度测量的准确度.     

微球动态涂敷状态实时监测系统的实现

设计一套新型的微球动态涂敷状态实时监测系统。利用QM-1显微望远系统和GDS-50摄影镜头相结合获得位于1.2m处25mm视场内直径为0.2mm~0.5mm的多个微球涂敷时的清晰像,视频处理系统采集微球的像,并用数字图像处理的方法对采集到的图像进行处理,有效区分背景、运动目标和静止目标。一旦发现有微球停止运动给出警告,实现涂敷作业的自动监视。     

工件表面质量检测中高速图像采集技术研究

针对工件表面质量在线检测过程中的高速图像采集环节,提出了一种工件图像高速采集方法。分析了图像采集中定位精度、运动模糊、曝光时间和工件运行速度之间的定量关系,研究了传送机构与工件表面的振动对图像采集的影响,设计了图像采集时序。利用光电传感器实现工件的快速触发,使用高精度延时模块实现工件的准确定位,通过减小曝光时间控制运动模糊。基于高速采集方法设计了高速图像采集系统,定位精度小于0.1mm,运动模糊小于1pixel,保证了工件的准确定位和图像的清晰度,有效保证了工件表面质量检测。     

Combining intensity, edge and shape information for 2D and 3D segmentation of cell nuclei in tissue sections

We present a region‐based segmentation method in which seeds representing both object and background pixels are created by combining morphological filtering of both the original image and the gradient magnitude of the image. The seeds are then used as starting points for watershed segmentation of the gradient magnitude image. The fully automatic seeding is done in a generous fashion, so that at least one seed will be set in each foreground object. If more than one seed is placed in a single object, the watershed segmentation will lead to an initial over‐segmentation, i.e. a boundary is created where there is no strong edge. Thus, the result of the initial segmentation is further refined by merging based on the gradient magnitude along the boundary separating neighbouring objects. This step also makes it easy to remove objects with poor contrast. As a final step, clusters of nuclei are separated, based on the shape of the cluster. The number of input parameters to the full segmentation procedure is only five. These parameters can be set manually using a test image and thereafter be used on a large number of images created under similar imaging conditions. This automated system was verified by comparison with manual counts from the same image fields. About 90% correct segmentation was achieved for two‐ as well as three‐dimensional images.     

机载成像系统像移计算模型与误差分析

研究了机载成像系统的像移及其对成像质量与相机分辨率的影响。为准确获取像移矢量,实现成像系统像移补偿,提出了一种基于坐标变换的机载成像系统像移计算模型。通过线性坐标变换,建立了从地面目标景物到成像系统像面的坐标变换模型,推导了地面目标景物在成像系统像面的解析表达式,根据坐标在相机积分时间内的变化来确定像移矢量。分析了成像系统像移误差的主要来源,讨论了载机轨道坐标、飞行姿态角和相机视轴角误差对像移计算结果的影响,采用蒙特卡罗方法分析和统计了像移计算误差。样本实验结果表明,在载机姿态角和相机摆角不变条件下,像移量与载机速度成正比,与目标距离成反比,像移误差随着参数误差的增加而增加,其中载机经度和纬度误差是影响像移计算误差的重要因素。结果显示本文方法对机载成像系统的像移补偿具有实用价值。     

Research on the calibration method of precipitation micro- physical characteristics sensor

In order to diminish the effect of the ambient light and CCD pixel non-uniformity to the Precipitation Micro-physical Characteristics Sensor,a modified calibration scheme was designed and calibration experiments in sunny,cloudy,night,different location of sample space were carried out. Firstly,the characteristics of particle images which affected by ambient light and different location of sample space were analyzed. Secondly,the relevance betw een particle image features and parameters of image processing were discussed. Finally,the parameter setting scheme were determined,the radium of median filtering algorithm is 3 pixels,the defocusing radius of point spread function( PSF) is 7 pixels,the radium of erosion is 3 pixels,and the binary threshold is obtained from the Area-thresh relationship. The results show that the new scheme could deal with the image calibration well,the average errors of equivolumetric diameter was 0. 041 mm with standard deviation of 0. 115 mm,and the average errors of the axis ratio was 0. 011 with standard deviation of 0. 085. The new scheme works well in the field observation too,the observed axis ratio is consistent with the empirical relationship that proposed by Beard. The relative error of accumulation precipitation is-3. 06% after calibration,w hich is improved 1. 94% low er than the initial one without calibration.