大量程高精度三维姿态角测量系统设计

基于针孔成像和双矢量定姿原理,设计一种使用单图像传感器实现大量程高精度三维姿态角测量的方法.根据系统要求设计双基准平行光源,采用FPGA单芯片实时实现图像传感器的驱动成像、光斑的分割与质心定位及与USB之间的快速通信,通过光斑质心坐标计算得到双基准平行光源的方向矢量,根据双矢量定姿原理计算姿态敏感器的旋转矩阵,得到三维姿态角;根据针孔成像模型,建立姿态敏感器的内外参数统一标定模型,对测量系统进行标定,标定结果和测量实验表明,三维姿态角测量系统的视场范围达到19.6°×19.6°,俯仰角、偏航角、滚动角的精度达到9.9″、9.3″、80.2″.     

光学拼接成像系统

在许多应用场合成像系统的视场往往取决于图像传感器的分辨率,比如在遥感成像系统中。采用多片图像传感器进行机械拼接可以提高图像传感器的分辨率从而扩大成像系统的视场,然而图像传感器的拼接面临技术难成本高的缺点。设计了一种能够实现扩大视场的光学拼接成像系统。该系统的基本思路就是将像面分割成若干部分,这些子像面的位置彼此之间是分离的,因此成像器件安放的位置也不会冲突。该系统采用了金字塔式的分光棱镜来实现分割像面的目的,分光棱镜置于传统的成像系统靠近像面的位置。分光棱镜会造成中心视场有一定的渐晕现象,为了消除渐晕并保证图像具有高的信噪比,4个图像传感器所接收的子图像彼此之间具有一定的重叠,可以相互补偿。4个子图像经过软件拼接可以得到完整的无缝的大图像,与传统的成像系统相比,该系统视场扩大率约小于2×2倍。     

液体微透镜阵列的驱动控制及其制造工艺研究

<正>液体微透镜阵列具有超光滑表面和大范围的连续变焦优势,在现代生物,医学治疗、军事感知等领域有广泛的应用前景。针对常规静态成像系统的视场角小、图像重叠、景深小等问题,本研究提出了液体复眼式图像传感器,对三维光场信息进行实时/域提取,实现了动态景深、超高分辨率的真三维成像和智能监控。液体复眼作为新型图像传感器的核心部件,是实现大视场、实时/域可变焦性能的关键。本研究有效结合纳米压印技术和液体自组装方法,开发了大面积、高密度复眼的定向/     

耳鼻喉内窥镜视频高清光学系统设计与实现

为了实现高清数字化医疗内窥成像,使用成像质量良好的耦合透镜系统耦合内窥镜目镜和CCD相机,成为高清视频内窥镜。基于实际应用的要求,设计了一个适用于耳鼻喉科内窥镜耦合CCD相机的透镜系统,该系统可以用于1/1.8in(1in=25.4mm)、200万像素的CCD相机成像,并且具有12°视场角,4.4的F数。在调制传递函数(MTF)大于0.1判据下,透镜系统各视场的分辨率都在111lp/mm以上,在全视场范围都能取得很好的成像效果。实际测试表明,该系统光学成像清楚,图像细节表现明显,分辨率达到了高清成像的要求,虽然结构简单,但达到了预期的设计目标,不但有利于加工和装配,而且降低了大量的成本。     

多通道大视场目标定位仪的研制

研制了一种在大视场范围内可靠性高、功耗低的便携式目标定位仪器。研究了该系统采用的光、机、电、定位数学模型、标定方案以及在目标定位过程中根据像点识别对应通道的算法等。首先,根据大视场的要求设计了透镜阵列曲面分布的结构,加工了安放透镜的球壳基底,并将它们成像在同一个图像传感器上。采用折射透镜进一步优化了光路系统,从而改善了成像质量。编写了相应的驱动程序完成了图像的采集和数据高速传输,然后,建立了所设计复眼系统的定位数学模型,并对复眼成像系统进行了标定。最后,根据像点匹配通道算法,实现了目标的三维定位,并在此基础上进行了简单的三维零件轮廓测量。实验结果表明：系统对横向66°、纵向43°视场角的目标实际三维测量精度误差在2%左右,表明本仪器能完成大视场范围内的目标三维定位任务。     

惯性约束聚变靶丸高精度X射线数字成像

为了实现惯性约束聚变(ICF)靶丸几何尺寸的高精度、高效率检测,开展了靶丸X射线数字化成像系统的设计与研制。首先,分析了X射线直接投影成像和X射线透镜耦合显微成像的适用范围,根据ICF靶丸尺寸小、吸收衬度弱的特点,确定了基于X射线透镜耦合显微成像的技术路线。然后,分析了影响系统成像分辨率、图像衬度和测量效率的关键因素,确定了低几何放大成像,低电压、小焦点、高功率X射线源及高分辨CCD探测的总体技术方案,该方案能够有效抑制相衬效应和半影误差,解决了现有X射线数字成像设备测量靶丸时边缘扩展严重、尺寸测量误差大的问题。最后,对系统的性能进行了分析测试,实验结果表明,系统成像衬度良好,成像效率较高,分辨率优于0.5μm。靶丸几何尺寸的测量不确定度可达0.9μm(k=2),满足ICF靶丸几何尺寸高精度、高效率的检测需求。     

显微视场下微型零件亚像素边缘检测方法

为了提高微型零件在显微视场下的边缘检测精度, 提出了一种非正交二次B样条小波变换结合Zernike矩的亚像素边缘检测算法. 采用非正交二次B样条小波变换算法得到图像的像素级边缘, 利用Zernike矩算法的矩不变性对像素级边缘进行亚像素边缘细化. 为了实现算法的原理, 建立了一套微型零件的实时检测系统. 给出了系统的总体结构和工作原理, 完成了实时图像采集与检测, 分析了检测结果, 并对检测精度进行了评估. 实验结果表明: 该系统检测零件尺寸可以达到0.01~10 mm, 检测精度可以达到0.01%~0.1%, 可准确识别出微型零件的边缘, 将检测精度提高到亚像素级, 满足了在显微视场下微型零件检测的需要.     

显微视场下微型零件亚像素边缘检测方法（英文）

为了提高微型零件在显微视场下的边缘检测精度,提出了一种非正交二次B样条小波变换结合Zernike矩的亚像素边缘检测算法.采用非正交二次B样条小波变换算法得到图像的像素级边缘,利用Zernike矩算法的矩不变性对像素级边缘进行亚像素边缘细化。为了实现算法的原理,建立了一套微型零件的实时检测系统。给出了系统的总体结构和工作原理,完成了实时图像采集与检测,分析了检测结果,并对检测精度进行了评估。实验结果表明:该系统检测零件尺寸可以达到0.01~10 mm,检测精度可以达到0.01%~0.1%,可准确识别出微型零件的边缘,将检测精度提高到亚像素级,满足了在显微视场下微型零件检测的需要。     

时间延迟积分荧光显微成像平场校正技术

时间延迟积分(Time Delay Integration,TDI)图像传感器具有高速、高灵敏度等特点,广泛应用于高通量、大视场的荧光显微成像系统中.显微物镜视场内响应均匀是精确获取荧光能量分布的基础,为提高系统成像质量和测量准确度,研究了适用于TDI荧光显微成像系统的平场校正或响应非均匀性校正方法.根据TDI荧光成像...     

双CMOS成像系统中运动模糊图像的复原

为获取高空间分辨率的清晰图像,设计了一种双CMOS成像系统.该系统的两片CMOS传感器可同时获取相同场景的图像.其中一片CMOS传感器获取高帧率、低空间分辨率的图像序列;另一片CMOS传感器获取低帧率、高空间分辨率的运动模糊图像.首先,通过光流法计算高帧率、低空间分辨率CMOS传感器获取图像序列的全局运动路径,在能量守恒和能量与积分时间成正比2个约束条件下估计运动模糊核初始值,通过贝叶斯准则交替迭代优化运动模糊核.最后,利用TV-L1方法从低帧率、高空间分辨率CMOS传感器获取的模糊图像中快速、有效地恢复出清晰图像.仿真和实验结果表明;有38％以上的仿真图像复原结果误差率小于2,且受噪声影响小,复原图像的振铃小.另外,能有效去除实拍图像的空间移不变运动模糊.     

提高仿生复眼定位精度研究

自然界中昆虫复眼的定位属于视觉定位技术的一种,其具有的大视场、小体积、高灵敏度的特点,满足了诸多场合对定位装置的要求。参照昆虫复眼研制的新型仿生复眼系统由复眼球壳、微透镜阵列、弯月折转透镜和大面积CMOS相机等组成,为实现复眼系统定位功能,需要先完成系统标定工作。针对系统标定过程中存在的图像光斑中心定位精度不足的问题,提出了基于能量对称的光斑中心定位算法,该算法首先需要完成复眼各子眼通道成像的传感器辐射响应标定,再根据能量对称的原则提取光斑中心坐标。并对该算法的定位效果进行试验验证。为了验证改进方案对复眼系统目标点定位精度的提升效果,在复眼系统60°视场内进行目标点定位试验,试验结果表明,方案改进前后整体角度误差最大值从4.92mrad降低到4.23mrad,定位精度提升约14%,表明改进方案对复眼系统定位精度起到了较好的提升效果。     

虹膜识别技术中的图像处理

介绍了最新研制的虹膜识别系统的采集装置和识别算法,通过设计对比了两种系统的虹膜识别体系的采集装置和识别算法。一套是基于CMOS图像传感器的成像系统,另一套是经过改进的基于数码相机的成像系统。改进后的系统硬件部分操作简单,采集到的图像更加清晰,可用于识别的虹膜细节部分更完整。改进后所使用的算法相对也更简洁。     

基于超高分辨率CMOS的缩微胶片阅读技术研究

介绍了一种基于超高分辨率CMOS的缩微胶片数字阅读器设计方案.该方案采用CMOS图像传感器对缩微胶片数字成像,利用FPGA进行图像数据的格式转换,采用A8架构的S5PV210作为主控芯片,并开发一套基于WinCE操作系统的人性化操作环境.     

超大视场头盔显示光学系统设计

设计了大视场头盔显示器的目视光学系统,用于满足头盔显示器对大视场、小畸变、高分辨率以及轻量化的苛刻要求.采用4×3阵列式排列、视场角为33°×24°的12组高质量成像目镜系统拼接成单眼目视光学系统来实现系统的大视场设计.为了使系统轻量化,每个单元目镜只采用一片透镜;透镜一面采用二元光学衍射面,利用其特殊色散特性校正目镜系统色差;另一面采用非球面,用于校正目镜光学系统的初、高级单色像差.其图像源为高亮度、高分辨率的OLED微显示器.设计结果显示:单目目视光学系统水平视场达到120°,垂直视场为60°,角分辨率为43 pixel/(°);单个目镜系统传递函数在40 lp/mm处,轴上视场高于0.62,全视场高于0.1;系统畸变小于3％;系统的双目视场为160°×60°,双目重叠视场为80°×60°.该设计实现了超大视场,满足头盔显示光学系统的成像要求.     

基于DDR2 SDRAM缓存的CMOS图像数据采集与传输系统

设计并实现了一套由大面阵CMOS图像传感器、FPGA、DDR2 SDRAM、ARM和PC机组成的CMOS图像数据采集与传输系统。该系统利用高数据带宽、大容量的DDR2 SDRAM存储器适时地对CMOS图像数据进行缓存,然后经以太网传输至PC机,从而完成图像的存储、处理和显示。DDR2 SDRAM存储器的引入,增强了整个成像系统的灵活性和可扩充性。实测显示该系统能够满足对高端COMS图像传感器LUPA-4000进行远程控制和数据传输的要求。     

集成成像系统中高填充率微透镜阵列的设计与加工

针对目前微透镜设计与加工中存在的问题,本文提出了一种大尺寸、高填充率的微透镜阵列设计与加工方法,并成功应用于基于手机屏幕的三维集成成像显示系统。根据焦面模式下的集成成像原理,建立了透镜阵列参数与集成成像显示关键参数的关系,并设计了高填充率透镜阵列的孔径与焦距。采用超精密铣削方法加工出金属母板,通过纳米压印和图形转移复制的方法,在涂有UV固化胶的PET透明膜上得到了高填充率的微透镜阵列膜,并将其应用于基于手机显示屏的集成成像系统。测试结果表明,在5.7英寸全高清手机屏幕上,直接覆盖孔径为0.526mm、焦距为2mm、填充率为100%的透镜阵列,可以实现立体图像出屏距离达4cm、视场角为12.5°的集成成像显示效果。系统的设计与透镜阵列的制作完全满足集成成像要求,裸眼观看立体图像清晰、逼真,系统集成度高,使用方便。     

用于光电子器件对准的显微立体视觉系统及其标定方法研究

开发了用于光电子器件对准的显微立体视觉系统。该系统采用两个光轴交汇的可变焦镜头和CMOS摄像机采集图像;用调节螺钉实现视场匹配与聚焦匹配;采用了带误差修正的线性成像模型进行标定;标定控制点图像坐标的提取则利用Hough变换的方法来提高精度。目前,该系统已成功用于光电子器件对接机器人的视觉测量中。     

胶囊内窥系统的像质提升方法

针对目前胶囊内窥镜存在分辨率低,视场角有限,受噪声影响大等问题,提出了系统解决方案。通过引入Q-type非球面校正像差,得到一款全视场角为160°,相对孔径为F#3.0,系统总长为4.3 mm的内窥镜成像镜头,在140 lp/mm处各视场调制传递函数（MTF）值均大于0.3。光学系统成像质量的好坏不仅取决于镜头的性能,还与图像传感器有关,尤其在低照度环境下。通过分析传感器工作时各个阶段噪声的特性得到噪声模型。利用建立的噪声模型,合成了胶囊内窥镜图像数据集,并训练神经网络模型。对算法模型的测试结果表明,本文提出的综合解决方案可以有效地提高胶囊内窥镜系统的成像质量。     

同心多尺度成像模式下的高分辨子成像系统设计

以同心多尺度成像模式为基础,结合人眼视网膜凹成像思想,提出了一种宽视场与双分辨率成像组合的新型同心多尺度成像系统,在广域视场范围内实现了对关注的感兴趣目标区域的高分辨动态注视。介绍了同心多尺度双分辨率成像系统的工作方式;使用一个单透镜和一个双胶合透镜为初始结构,结合二轴微机电系统(MEMS)扫描微镜组合形成光路;利用ZEMAX光学设计软件,优化设计了成像波段为0.486~0.656μm,在单个分通道视场内(30°)可对关注的小视场区域(6°)高分辨注视跟踪的子成像系统。对成像系统的像质以及点列图、调制传递函数(MTF)曲线、场曲、畸变曲线进行了评价。结果表明设计的子成像系统在全视场内成像均匀,接近衍射极限,场曲和畸变较小,最大场曲不超过0.6mm,最大畸变小于1.5%,能够满足同心多尺度双分辨率成像系统对子成像系统性能的要求。     

CMOS图像传感器成像系统

介绍 CMOS图像传感器的历史背景、发展现状、像素单元的结构、工作原理以及CMOS图像传感器芯片的整体结构 ,比较了 CMOS图像传感器和 CCD图像传感器的性能 ,详细阐述了整个 CMOS图像传感器成像系统