多级投影式集成成像三维显示视场角拓展

针对集成成像三维再现像的视场角较窄,实用化受限的问题,提出了一种拓展集成成像视场角的新方法,并基于多级投影技术构建了具有大视场角的三维集成成像系统。该系统利用多个投影仪并联投射不同级次的元素图像阵列并进行三维重构来获得大视场角的集成成像再现像。与传统的集成成像视场角拓展技术相比,所提方法具有系统结构简单、无需场镜等辅助光学器件;系统中没有机械运动,不会产生振动和噪声;以及可用于大尺寸集成成像显示系统的优点。光学实验结果表明,提出的多级投影式集成成像显示系统的再现像视场角为±35°,是传统的集成成像系统获得的视场角的2.92倍,明显拓展了视场角。     

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。     

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。     

基于几何成像模型的鱼眼镜头图像校正算法和技术研究

鱼眼镜头是一种具有广视场角的摄像机镜头,广泛应用于大场景视频监控领域,但其成像存在严重的非线性径向畸变,违反人类的视觉习惯,且为测量和模式识别等应用带来了不便.为了实现鱼眼镜头图像的校正,提出了一种基于几何成像模型的鱼眼镜头校正算法和技术,通过研究鱼眼镜头成像模型,根据鱼眼镜头类型采用了相应的几何模型校正图像;以“等距投影”模型为例提出了校正公式和实现方法.最后针对工程应用的实时性要求,提出了基于缓存的快速优化方法以及在保证一定精度的前提下快速实现双线性插值的优化方法.研究结果表明,这种新方法可以高效地完成鱼眼镜头图像校正,比传统方法适用面更广,更易实现.     

一款1600万像素手机镜头设计

利用Zemax软件设计一款1 600万像素的手机镜头。该镜头由6片塑料非球面镜片组成,镜头的F数为2,全视场角为78°。采用Omnivision公司OV16880型号的CMOS作为图像传感器,像素元尺寸为1μm×1μm,奈奎斯特频率为500lp/mm,最大像素数为1 600万,最大像高为5.93mm。最终设计结果,镜头光学总长度为5mm,1/2奈奎斯特频率处的全视场MTF>0.3,相对照度大于40%,畸变小于2%,场曲小于0.1mm,可以获得优质的成像效果。公差分析结果表明,该镜头加工工艺性良好。     

1 000万像素全景监控镜头的光学设计

为满足全景监控镜头的高清、大视场的要求,采用反远距系统设计了工作波段为可见的4.86~6.56μm、F数为2、垂直全视场角为185°、焦距为1.3mm的1 000万像素高清全景监控镜头光学系统。通过匹配光学材料和分配透镜光焦度,在-20~+60℃温度范围内对全景监控镜头光学系统进行了设计及像质评价。结果表明,系统在奈奎斯特频率300lp·mm-1处中心视场的光学调制传函接近衍射极限,大于0.4,0.7视场以内的光学调制传函大于0.3。系统整体无温度离焦,成像质量良好、结构紧凑,且适用于感光面尺寸为6.119mm×4.589mm、像元数为3 664×2 748的CMOS探测器。     

一款条码扫描成像镜头的多方案设计和选择

设计了一种扫描成像镜头,镜头焦距为7.9mm,视场角为52°,采用CMOS线性传感器接收。为了使镜头成本更低,同时保证好的成像性能,引入了塑料非球面,设计了一个含有高次塑料非球面镜片和一个玻璃球面镜片(1G1P)的结构。相对传统三片式玻璃球面镜片(3P)的结构来讲,1G1P结构的光学性能更好地满足了技术指标要求,成本为3G结构的50%,推广应用前景好。     

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″.     

融合五自由度位姿信息的单目内窥镜目标尺寸测量

针对低分辨率、弱纹理、缺少参照物的小场景下内窥镜图像目标测量困难问题,提出了融合5自由度电磁传感器的单目内窥镜下目标尺寸测量方法。首先,分析了基于5自由度传感器的内窥镜定位原理,得到内窥镜沿主光轴方向的位移。接着,以结石目标为例分析了图像目标关键信息的导航采集方法,即通过语义分割网络获得图像目标的轮廓信息,进而与内窥镜主光轴进行重合度判定,记录符合重合条件关键帧的图像目标长度信息与对应的位姿信息。最后,基于针孔相机成像模型,将目标成像比例关系与内窥镜沿主光轴的位移结合,建立了目标尺寸测量方法。实验结果表明：所提方法的测量误差控制在10%以内;对长度1～9 mm目标的平均测量误差为0.33 mm。能够满足单目内窥镜检查中对目标尺寸测量的稳定可靠、精度高、省时省力等需求。     

大屏幕投影显示光学系统的超薄化设计

针对大屏幕投影显示对成像物镜提出的超短焦、大视场角、超薄化、大相对孔径以及高清晰度等要求,设计了一种新型折反射式超薄投影成像系统。采用TI公司的0.65″数字微反射镜片(DMD)作为空间光调制器,利用非球面反射镜校正畸变并缩短投影距离,然后通过一个折叠反射镜对光路进一步转折来实现超薄化投影显示。系统由5片透射镜片和1片非球面反射镜组成,焦距为2.8mm,F/#为3.5,最小视场角为55°,最大视场角为78.5°,在投影距离为120mm时画面尺寸显示为65.2″。设计结果表明:在像面的Nyquist频率处,95%以上视场的MTF0.6,最大畸变量为0.8TV%,一个像元尺寸内能量集中度在90%以上。为了进一步验证折反射式超薄投影镜头的性能,加工并组装了原理样机。实验结果表明其图像显示效果良好,能够满足超薄化、低成本、小型批量化生产等设计要求。     

柱面系统无畸变指纹采集仪的光学设计

针对以往无畸变指纹采集仪多采用棱镜补偿方案,系统存在棱镜的固有像散,光学系统难以补偿这种像差获得较高成像质量这一问题,提出了一种采用柱面系统结合双远心物镜校正投影畸变的新方案。该方案利用双柱面系统,在棱镜没有压缩图像的方向上压缩图像;利用双远心光路,消除物面和像面存在倾斜时的梯形畸变。采用该方案进行的计算机建模,经过合理调整优化函数,平衡各种像差,获得了比棱镜补偿校正畸变方案更高的成像质量。指纹采集仪得到了指纹采集方(物方)大部分视场的传递函数值在特征频率5 lp/mm(对应像方40 lp/mm)时＞0.377, 在特征频率10 lp/mm(对应像方80 lp/mm)时＞0.139的结果,大部分视场传递函数提高到棱镜补偿方案的1.6倍,同时各视场成像质量都比较均衡。     

三维测量工业内窥镜的双目光学系统

针对国内工业内窥镜只限于观察,无法满足工件三维尺寸测量的现状,设计了一种探头外径为6 mm并且可以向任意方向弯曲的三维测量工业内窥镜,并介绍了该内窥镜的双目光学系统及镜体内部结构的设计。首先,基于双目立体成像的原理,提出了一种具有双物镜、单图像传感器的新型双目光学系统。其次,根据光学系统的技术要求,设计了内窥镜的头部结构。考虑到一些工件内部结构比较复杂,分别设计了内窥镜的可弯曲结构以及后部操控机构以方便一些精密工件的检测。最后,通过三维图像处理软件对待测物表面两个特征点进行长度测量试验,得到了两个特征点的间距。实验结果表明：待测物表面两个特征点的长度测量误差在±0.2 mm内。该系统基本实现了工业内窥镜的三维测量功能。     

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。     

宽光谱大相对孔径CCD星敏感器光学系统设计

星敏感器是目前航天器用于确定姿态的最先进的空间姿态敏感器之一。文中针对星敏感器的特点,设计了一种星敏感器光学系统。该光学系统焦距为52.5mm,F数为1.5,视场角为12。,光谱范围为480～850nm,选取复杂化的双高斯光学结构形式及选用特殊的玻璃配对。设计的光学系统在宽谱段范围内获得了较好的成像质量,在13.4μm直径范围内能量包围达到85%,在0.85视场内各色光相对主色光的倍率色差在爱里斑直径范围内,全视场畸变小于1%,能获得准确位置坐标的恒星图片,符合星敏感相机使用要求。     

长波红外广角地平仪镜头的光学设计

介绍适用于非致冷凝视式焦平面阵列的长波红外(LWIR)广角地平仪镜头的光学设计.其工作波长范围10～16μm,全视场角为135°.采用"负-正-正"型式的反远距像方远心光路镜头结构,仅有三块非球面锗透镜构成.能够很好地解决广角镜头轴外像差校正和像面照度均匀性问题.此镜头结构简单、体积很小、后工作距离大,成像质量接近于衍射极限,在20lp/mm空间频率处的调制传递函数值超过0.6,像高与视场角关系偏离线性的相对误差不超过15%.文中还分析了此镜头的加工和装调公差.     

航空摆扫相机转弯成像像移分析及补偿

为保证航空摆扫相机转弯成像过程中的成像质量,对其像移计算及补偿方法进行了研究。根据航空摆扫相机的成像原理,利用几何建模及速度矢量分解建立了转弯成像像移计算模型,给出了基于均值补偿的转弯前向像移补偿方法。转弯前向像移补偿分析表明:相机焦距为500 mm,曝光时间为0.01 s,速高比为0.02 rad/s,纵向视场角为10°,转弯角速度为0.5(°)/s时,最大前向像移补偿残差量为2.22μm;转弯角速度为1.5(°)/s时,最大前向像移补偿残差量为3.36μm。另外,转弯横向像移补偿分析表明:横向像移量随纵向视场角幅值的增加而增大,曝光时间为0.005 s,横向视场角为30(°),转弯角速度为1(°)/s时,横向像移量在纵向视场角为4.5°时达到3μm。转弯成像试飞实验结果表明:得到的图像像质优良,无几何形变,前向像移补偿良好,验证了本文提出的转弯成像像移补偿方法的正确性。