空间三反相机调焦范围的确定

为了提高空间相机对温度的适应能力,改善相机成像质量,研究了如何通过调焦放宽相机的热控指标,降低相机热控难度的问题.推导出了纯反射离轴三反光学系统中后截距及相机受温度影响下焦面离焦的数学公式;分析证明了相机离焦量与温度变化是线性关系,并计算得到了常数项K值.计算显示,当反射镜材料的线胀系数与相机支撑框架材料线胀系数一致时,焦面不产生离焦;而两种材料线胀系数差距越大,离焦量就越大.利用离焦传递函数公式证明了当相机温度水平变化超过±1℃时(对应离焦量0.05 mm),就必须采用机械调焦的方法对其加以补偿;利用光机热集成仿真的方法,得出保证相机成像质量的温度范围At,完成了从光学指标到温度指标的转换.利用离焦公式,得出了相机的调焦范围.最后,在热真空环境下试验验证了上述焦面离焦的数学公式及相机温度水平变化±4℃时离焦量为±0.184mm是相机合适的调焦范围.     

胶片摄影空间相机动态成像质量评价

对以胶片为图像载体的可见光高分辨率空间相机来说,除光学系统本身的像质和胶片分辨力对相机的最终成像质量产生影响外,相机的像移补偿机构、像移速度控制系统、最佳成像焦面位置的确定等都对相机的最终成像质量产生影响,通过对胶片式可见光高分辨力空间相机整机系统的成像理论进行分析探讨,采用光学传递函数的方法进行相机整机系统的像质评价及像面位置的准确标定。详细给出了空间相机的实验室检测和在轨摄影的动态摄影传递函数及数据分析结果,通过理论值与此方法分析出的传递函数值作对比,证明了胶片摄影刀口阴影经付立叶变换等方法处理所得MTF的方法可以用来评价空间相机的动态成像质量,对用实验室实测的相机动态MTF结果来预估相机在轨动态MTF及在轨摄影分辨力方面做出了有益的尝试。     

基于光学自准直的航空相机自动调焦系统

分析了摄影环境的大气压力和温度的变化对航空相机离焦的影响,介绍了基于光学自准直的自动调焦系统的硬件电路原理和软件流程设计.基于光学自准直的检焦技术,选用两种图像清晰度评价函数,运用爬山搜索法采用变步长进行检焦控制,不仅有效地节省了检焦时图像处理的时间,而且提高了检焦的精度.通过引入高度和摄影角度数据,进行离焦量计算,通...     

大视场空间相机的像移速度场模型及卫星三轴姿态稳定度分析

针对大视场空间相机的像移补偿,建立了基于坐标变换和姿态动力学的离轴三反大视场空间相机通用像移速度场模型。建模过程中考虑了离轴三反光学系统的离轴角对像移模型的影响,推导了离轴三反大视场空间相机的像速场解析式。以某大视场空间相机为例,分析了3种典型成像姿态下焦面像移速度和偏流角的分布特点,研究了卫星姿态稳定度对相机成像质量的影响。分析表明,卫星三轴姿态稳定度的降低会导致相机焦面动态传递函数(MTF)下降,其中俯仰姿态稳定度对焦面动态MTF的影响最大;并且随着积分级数增加,下降会愈发明显。相机侧摆姿态成像时,对卫星姿态稳定度的要求更高。以传递函数下降5%为限,积分级数为96级的大视场空间相机,要求卫星姿态稳定度控制在0.001(°)/s以内。实验结果验证了文中对卫星姿态稳定度的分析,证明了像移速度场模型的准确性,为大视场空间相机像移补偿提供了可靠依据。     

含三次位相元件照相物镜的设计

设计了一个光学/数字成像系统,该成像系统利用三次位相元件辅以数字图像处理技术,在保持系统光通量及分辨率不变的前提下,提高了光学系统焦深。进行了仿真实验,实验以传统的双高斯型照相物镜为光学系统模型,选取焦点及离焦-1.6λ(λ=550 nm)近似-6.4倍焦深两个成像位置。对比分析了传统光学系统及光学/数字系统的焦点位置调制传递函数(MTF)、离焦1.6λ处调制传递函数(MTF)及在瑞利判据±100倍焦深范围内的离焦传递函数。通过光学设计软件CODEV9.7新增图像模拟功能,得到了光学系统的模拟成像结果。利用自编图像处理程序,得到最终的成像结果。结果表明,该光学/数字成像系统确实能够有效扩大光学系统焦深6倍以上。     

大视场时间延迟积分CCD遥感相机的精密定焦

介绍一种可以广泛应用的时间延迟积分(TDI)CCD拼接型焦面的精密定焦技术。首先,在恒温、隔振条件下将满足拼接精度要求的TDICCD焦面组件粗装至相机相应的设计位置;然后,通过数据采集与处理系统获得相机成像的调制传递函数(MTF),并通过调焦机构进行调焦,测得每片TDICCD所成像的MTF调焦量曲线,进而得到每片TDICCD的最佳像面位置;最后,根据8片TDICCD各自的最佳像面位置拟合出共同的相机最佳像面,并依此确定焦面组件外接口的修调量,完成相机焦面的精密定焦与装调。对定焦精度的分析表明,定焦误差为9.1μm,与焦深的相对误差为4.4%。最终的MTF测试实验表明,8片TDICCD的MTF值比较平均,符合相机光学镜头的MTF变化规律并且远远高于该相机全视场静态MTF≥0.2的技术指标要求。本文所介绍的大视场TDICCD遥感相机的精密定焦技术可以为同类遥感相机的研制提供借鉴。     

长焦距斜视实时航空相机离焦补偿

基于一种长焦距斜视实时航空相机的研制,探讨了导致相机离焦的原因,指出环境(大气压力、温度)变化和照相斜距的变化是导致相机离焦的主要原因,分别从温度、大气压力、照相斜距这三个方面的变化对相机离焦的影响进行讨论,给出了计算相机离焦量的简易数学方程。通过对相机斜距离焦的分析,提出了一种新的离焦补偿方法,研制出一种双层导轨、双层凸轮的自动调焦补偿机构,使相机在照相过程中保持像面稳定,并对斜距调焦原理进行了实际检验。     

离轴三反消像散多光谱相机调焦系统设计

空间环境的恶劣经常导致航天相机的成像平面偏离焦平面产生离焦,从而影响遥感成像质量.本文针对某航天离轴三反消像散多光谱相机设计了一种调焦系统对成像平面的离焦进行有效补偿.首先,分析了相机的离轴三反消像散光学系统和CCD焦平面的特点,确定调焦方式并阐述调焦系统工作原理.然后,介绍了调焦系统构成以及调焦控制器环境适应性、步进电机力矩选择、调焦传动机构的设计参数和位置编码器,推导出了调焦精度与调焦机构参数及编码器分辨率的关系,分析了调焦系统所能达到的调焦精度.最后,通过调焦系统测试了调焦行程内CCD焦平面直线位置与编码器码值的对应曲线.对闭环控制方式测试数据的计算分析显示,闭环调焦精度在3σ情况下为±3.11 μm,满足相机调焦控制精度±10μm的要求.     

星载多光谱CCD相机研究

研制的星载多光谱 CCD相机采用线阵 CCD推扫方式成像 ,具有蓝、绿、红、近红外、全色五个成像谱段 ,在轨工作时地面像元分辨率为 2 0米 ,覆盖宽度 113公里。相机光学系统采用单镜头焦面分色结构实现多光谱成像 ,每个谱段的探测器阵列由 3片 2 0 4 8元 CCD光学拼接而成 ,以实现地面宽覆盖成像。多片 CCD信号采用串行读出方式 ,使焦面 15片 CCD形成两路视频信号输出给数据传输系统。测试结果显示 ,相机各谱段 MTF典型值为 0 .2 5 ,满足使用要求。     

离焦模糊图像清晰度评价函数的分析与改进

传统的基于梯度的图像清晰度评价函数(调焦函数)对噪声敏感,在实际应用中易引入过多的非边缘信息,影响系统的稳定性。本文基于光学成像系统离焦模型分析了系统离焦对图像清晰度的影响,并提出了一种改进的图像清晰度评价方法。该方法利用最大灰度差提取细节信息来评价图像清晰度;引入阈值区分边缘点和非边缘点来减小图像平坦区域对评价函数灵敏度的影响,同时有效抑制噪声的干扰。进行了仿真实验和实际测试并与传统的清晰度评价函数进行了比较。结果显示,提出的方法具有更好的灵敏度和抗噪性能,能够准确而稳定地评价离焦模糊图像的清晰度,可用于实际光学系统的自动调焦。     

离焦量对农机深松铲Ni60表面熔覆层质量的影响

研究激光熔覆过程中离焦量对农机深松铲表面熔覆层质量的影响。在扫描速度和送粉电压不变的情况下,分析不同的离焦量对熔覆层的维氏硬度和金相组织的影响,确定离焦量的最优值。结果显示:离焦量为360 mm时,熔覆组织均匀,晶体细小的熔覆层、细小、高硬度、耐磨性、耐腐蚀性均良好。适宜的离焦量有利于获得最佳性能。     

基于波前编码技术的红外系统温度敏感性的研究

波前编码技术是在成像系统的光阑面插入一个非球面相位板,得到一个中间模糊图像,并通过数字图像处理得到清晰图像。波前编码使得成像系统对很多离焦像差不敏感,例如温度引起的像差。这使得该技术可以应用于红外成像系统中,同时可以增大系统的焦深。设计了一个有效焦距f′为35mm,光圈F为2,工作波长为8~12μm的红外成像系统,并且通过数值模拟温度-20°C至60°C的改变,得出波前编码系统在不同温度不同物距下的MTF和PSF基本一致,最后通过数字滤波,可以在大温差的情况下重建大景深清晰图像。     

拍照手机镜头MTF的测量方法

镜头调制传递函数(MTF)的测量有正投影和逆投影两种方法。拍照手机镜头由于体积小、后焦短、所配感光器的像素越来越高,正投影法测量用的CMOS/CCD受其保护玻璃厚度和自身像素的制约而有局限性;逆投影法颠倒镜头成像系统物和像的位置,克服了手机镜头后焦、像素等的限制。实验结果证明逆投影法能快速测量拍照手机镜头的MTF,方便评定镜头的品质,有较大的实用价值。     

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.     

大象差系统的优化设计

大象差光学系统以传递函数MTF作为评价函数进行自动设计为宜。因为MTF与系统质量直接对应,迭代中可处理为单一的评价函数,能全面而客观地反映光学系统的成像质量,本文阐述了一个以几何传递函数GMTF为评价函数的光学自动设计程序中几个有关问题的处理方法,并给出了具体实例说明程序的应用过程和效果。     

The tuning of a Zernike phase plate with defocus and variable spherical aberration and its use in HRTEM imaging

With the advent of the double-hexapole aberration corrector in transmission electron microscopy the spherical aberration of the imaging system has become a tunable imaging parameter like the objective lens defocus. Now Zernike phase plates, altering the phase of the diffracted electron wave, can be approximated more perfectly than with the lens defocus alone, and the amount of phase change can be adjusted within wide limits. The tuning of the phase change allows an optimum contrast transfer in high-resolution imaging even for thick crystalline objects, thus surpassing the limits of the well-known Scherzer lamda/4 phase plate to the imaging of thin objects. The optimum values for the spherical aberration and the lens defocus are derived, and the limits and imperfections of the approximation explored. A mathematical link to the channelling approximation of high-energy electron diffraction shows how the image contrast of atomic columns can be improved systematically within wide thickness limits. Depending on the specimen thickness different combinations of spherical aberration and defocus are favourable: positive spherical aberration with an underfocus, zero spherical aberration with zero defocus, as well as negative spherical aberration with an overfocus.     

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。     

基于非特定图像的红外成像系统调制 传递函数自动测量方法

机载红外成像系统的性能评估对于战机任务执行效能具有重要意义。 调制传递函数(MTF)是衡量红外成像系统性能 的典型指标。 现阶段 MTF 的测量依赖于特定的图像特征与人工操作,难以实现实时与批量评估。 为此,提出了一种基于非特 定图像的 MTF 自动测量方法,以倾斜刃边法为基础,通过图像刃边检测、目标区域提取以及改进的刃边计算方法,从不含有特 定景物特征的实拍图像中自动获得 MTF 点值,并构造红外成像系统等效物理模型以实现 MTF 曲线的拟合,进一步滤除随机误 差。 最后,以某型号无人机红外成像系统作为验证对象,将实验室测得的 MTF 与基于非特定实拍图像计算的 MTF 进行对比, 两者的绝对误差在 0. 06 以内,证明了方法的可行性与有效性。 该自动测量方法能够较为准确且实时地得到系统的 MTF,为不 便进行地面实验的红外成像系统提供了一种新的性能测试思路。     

离焦模糊图像的维纳滤波复原研究

微操作中，显微视觉系统获取的图像通常是离焦模糊图像。离焦模糊图像的退化模型可用圆盘函数描述，利用模糊图像无方向性的二阶拉氏微分图像的自相关的负相关峰形成的环形槽的直径等于作为圆盘函数直径的2倍可以确定该函数。对模糊图像进行一次维纳滤波方法得到原图像的估计值，然后利用该初始值求得原图像及噪声的谱密度估值，进而利用这些新获得的信息构成改进的维纳滤波器对退化图像进行第二次滤波。实验表明，该方法计算量小、鉴别精度高、抗噪声能力较强，突出原图像的一些关键细节，提高了图像的复原质量。     

适用显微镜质量测试的高分辨率测量镜头设计

利用Zemax光学设计软件设计了一款适用于光学成像尺寸为38mm的互补金属氧化物半导体(CMOS)型工业相机的高分辨率测量镜头,该工业相机用于自动化定量分析检测显微镜像差。通过数码图像处理的方式去评判显微镜物镜性能的好坏。在满足性能要求基础上,对普通的测量镜头结构加以优化,使得测量镜头拥有非常高的分辨率。该镜头焦距为36mm,后工作距约为32mm,视场像面高度为36mm,在90lp/mm处,中心视场调制传递函数(MTF)值大于0.45,边缘视场MTF值大于0.25。