基于偏振成像的低光照强背景噪声下的目标位姿估计

物体位姿信息在航空、航海、室内机器人定位等领域都有着十分重要的地位,越来越多的研究表明偏振是某些生物进行导航以及在低光照下拥有视觉的关键。本文提出了一种基于偏振成像的低光照强背景噪声环境下的物体位姿求解方法。该方法通过在普通光源前设置偏振片,使非偏振光转变为偏振光源。通过偏振相机对偏振光源进行偏振成像,利用计算机视觉技术识别偏振光源并求解光源相对偏振相机的位姿。结果表明,本文提出的偏振方法相比光强具有更高的精度和鲁棒性,在40 m距离上,位姿误差为2.99%。该方法利用偏振成像技术,能够在低光照强背景噪声环境下求解物体相对于光源的位姿,克服了低光照下利用计算机视觉无法计算物体位姿信息的问题。     

氙灯和发光二极管作光源的积分球太阳光谱模拟器

设计了一种由氙灯和发光二极管(LEDs)作光源的积分球太阳光谱模拟器来提高太阳光谱的光谱匹配精度.引进模拟退火算法研究光谱匹配技术,设计了氙灯模块及LEDs模块的结构和控制系统.LEDs采用环带摆放和恒流驱动方式,并通过多机通信系统控制.氙灯模块上安装截止滤光片和程控衰减器,滤光片用来滤去氙灯红外波段的尖峰,衰减器则用来调整氙灯入射到积分球的辐射通量.仿真实验表明:Epitex公司的53种单色LEDs和氙灯完全可以模拟380～1000 nm波段的AM 1.5标准太阳光谱,光谱的平均相对误差为5.67％.分析讨论了该太阳光谱模拟器的光谱失配误差、出光面的辐照非均匀度和辐照不稳定度,三者均可以控制在±3％以内.     

一种基于不同光谱反射比的光纤温度传感器

介绍一种基于多层介质膜干涉滤光片的不同光谱反射比随温度变化的光纤温度传感器,系统采用两个不同波长的反射光功率的比值作为传顺的输出信号,以消除光源功率波动对测量结果的影响。实验结果表明,该测量方法是完全可行的。     

日盲紫外滤光片的带外截止深度测试

针对全日盲紫外滤光片,建立了以窄带光发射二极管（LED）作为基本光源的超大动态范围滤光片带外截止深度测试系统,并分析了系统的测试误差。该系统主要由LED光源,已知衰减系数的标准反射式中性衰减片以及光电倍增管组成。基于替代法,系统测试时将LED光源通过衰减片后的输出电流作为参考电流值替代光源的初始电流值,通过对比运算获得滤光片的带外截止深度。针对系统中的反射式衰减片,文中还提出一种组合衰减片方法,以保证光电倍增管始终工作在线性响应范围内,从而实现对滤光片的超大动态范围的截止深度测试。实验结果表明,在350~800 nm谱段内,该测试系统可测滤光片的带外截止深度延伸至11-OD,不确定度小于2%,相对重复性误差小于0.2%。该系统结构简单,测试谱段范围宽、可测动态范围大且精度高,可广泛用于滤光片的截止深度测试。     

基于薄膜干涉分光技术的便携式多光谱成像系统

基于薄膜干涉分光技术开发了多光谱图像采集分析系统样机,样机由分光滤光片、CCD相机、逻辑控制组件和计算机终端软件等组成,并在农产品检测、成分检测等方面开展了多光谱检测技术的实验研究。实验表明,多光谱成像系统能够进行高分辨率的光谱图像采集,并进行光谱重建和聚类等分析。在农产品检验中利用多光谱成像技术能够将霉变的黄豆与优质黄豆进行快速区分;在电解液浓度和成分检验中能够将不同浓度或不同成分的液体进行识别;在笔墨检验中能够将不同油墨的笔迹进行准确有效地判别。     

周期性渐变折射率光学薄膜的设计及光谱特性分析

分析折射率呈不同函数分布的周期性渐变折射率薄膜的光谱特性,分析表明光谱曲线具有负滤光片的特性。分别从最低和最高折射率、周期数、周期厚度的角度,对用共蒸法制备的周期性渐变折射率薄膜光谱特性进行了详细分析讨论。结果表明截止带中心波长和截止带宽度与周期厚度成线性关系,截止带中心波长的反射率与周期数成三次多项式关系。用堆叠和叠加两种方法设计渐变折射率多截止带负滤光片,并分析两种方法在共蒸法方式制备下的优缺点。最后总结出了渐变折射率负滤光片的设计方法。     

多光谱阴道镜的微型化多通道滤光片设计

设计了一种可与阴道镜中的图像传感器集成的微型化多通道滤光片,以使阴道镜具有光谱成像能力.采用微光刻技术及真空多层镀膜技术制成微滤光片,内部微滤光单元的通光波长与病灶标志物反射光谱或荧光光谱的特征峰相对应,与图像传感器集成后,能够获取几幅与光谱特征峰对应的特征波长图像,这些图像凸显了病变组织与正常组织的差异,提供了宫颈组织上皮表面形态变化及上皮组织内病灶标志物含量变化的信息.已加工出通光波长为λ1＝630 nm、λ2＝460 nm、λ3=515 nm、λ4＝577 nm的微滤光片,微滤光单元面积为10 μm×10 μm,各通道带宽约为40 nm,透射率为30％～40％.实验显示微滤光片的光学性能已达到光谱成像的基本要求,与阴道镜集成后,能有效提高其诊断的灵敏度与特异性,减少活检频率.     

白光干涉仪中光源参数的优化选择

在白光干涉仪中,白光光源的参数决定了干涉条纹的分布,对中心条纹的识别精度产生直接影响.采用不同光谱形状的光源或改善光源的光谱形状可提高零级条纹的可见度,利用多个白光光源构成组合光源来改变光源的光谱形状是提高零级条纹可见度的有效方法.在提出组合光源参数优化设计方法的基础上,理论分析得出了双组合光源和三组合光源优化设计的简洁公式.计算机模拟及实验结果表明,经优化设计后组合光源产生的干涉图,其零级条纹可见度大大增加,更有利于提高系统的测量分辨率.     

阵列式光谱辐射计光学参数测量

研究了阵列式光谱辐射计校准过程中涉及的杂散光和带宽等问题。实验比较了阵列式光谱辐射计在氙灯和卤钨灯照射下进行紫外辐射测量的差异,对差异的来源-杂散光部分进行了测评。采用一组已知透过率的滤光片,通过采集有滤光片和无滤光片条件下卤钨灯的光谱,对阵列式光谱辐射计的杂散光大小进行评价,并评估了杂散光在紫外辐射测量中引起的数值偏差。实验测量了不同的阵列式光谱辐射计采集窄带光源的结果,对阵列式光谱辐射计的带宽在辐射照度计算中的影响进行评估。实验结果表明:卤钨灯照射下部分阵列式光谱辐射计在紫外300nm处的杂散光比例高达30%以上,制约了紫外辐射测量的可靠性;氙灯照射下阵列式光谱辐射计在300nm的杂散光比例可以降至5%左右;阵列式光谱仪的带宽限制了其能够准确测量光源的最小测量半高宽,几种不同带宽的阵列式光谱辐射计在365nm的测量偏差高达4%。得到的结果表明:阵列式光谱辐射计的杂散光、带宽等光学特性对测量结果的准确性影响很大。     

基于滤光轮双相机系统的高光谱分辨率成像

滤光轮光谱成像系统在光谱成像领域应用广泛,空间分辨率高,但是光谱分辨率较低。针对这一问题,提出了基于滤光轮双相机系统的高光谱分辨率成像,设计了一种基于插分补偿的多光谱计算重构方法,实现系统的高光谱分辨率、高空间分辨率成像。首先利用滤光轮双相机成像系统采集多光谱图像以及RGB图像,然后从多光谱图像获取离散的光谱响应曲线,最后根据RGB三通道数据与光谱高维数据之间的映射关系以及能量守恒定理,进行光谱响应曲线的插分补偿并实现高光谱分辨率成像。实验结果表明,本文方法能够在保持空间分辨率的情况下,高效地实现光谱分辨率为5 nm甚至更高光谱分辨率的成像,重建结果与真实值的均方根误差为0.017 1,具有较好的准确性和鲁棒性。     

小型Offner光谱成像系统的设计

研究了在发散光束中使用色散元件的小型Ofiner光谱成像系统,分析了Ofiner凸光栅光谱成像系统和Ofiner曲面棱镜光谱成像系统的优缺点,与传统准直光束中使用光栅或棱镜的方法相比,Ofiner光谱成像系统具有体积小、质量轻、无谱线弯曲、色畸变小的特点。给出了两种系统的设计结果,并研究了滤除二级和高级次光谱的方法,给出了与Ofiner光谱成像系统匹配的不同形式的像方远心前置光学系统,可满足微小卫星超光谱成像仪的要求。     

图像亮度信息法选取多光谱莲花白叶片特征波段

利用液晶可调谐滤波器(LCTF)和CMOS相机组合的多光谱成像系统,在波长400~720nm内以5nm为间隔对莲花白叶片进行多光谱成像。首先根据图像亮度信息法的原理,计算得到各波段莲花白叶片的可识别度;然后对莲花白叶片的可识别度进行大小排序,综合图像的信息特征和可识别度,得出555nm、715nm、710nm、575nm、535nm、520nm、720nm、605nm和650nm 9个波段有较好的识别度;最后根据欧氏距离法和光谱角度匹配法分别对莲花白叶片的特征波段的分类精度予以统计,得到两种方法的分类精度分别为95.56%和93.13%。实验证明,选取的9个波段对莲花白叶片具有较好的分类精度,可作为莲花白叶片的特征波段。     

双重滤波扫频光源的研制

扫频光源是目前光学相干层析成像的关键部分,其光谱带宽和瞬时线宽分别影响着成像系统的轴向分辨率和成像深度。在单一滤波器中,这两者相互制约。针对这一情况,提出了一个利用两种滤波器组合优化的扫频光源系统。以双半导体光放大器并联作为增益介质,将声光可调滤波器(AOTF)和法布里-珀罗可调滤波器(FFP-TF)串联接入环形腔内进行双重滤波。其中AOTF的调谐范围和瞬时线宽均较宽,FFP-TF与之相反,经同步匹配设置后,两者协调工作,能够发挥各自的优势。通过搭建系统,获得了中心波长为1 316 nm的扫频激光输出,其光谱是1 235～1 380 nm,调谐范围是145 nm,瞬时线宽小于0.02 nm,扫频速度为1.35 kHz,输出光功率为0.48 mW。该扫频光源能够克服单一滤波器的固有缺陷,实现宽光谱带宽与窄瞬时线宽的有效统一,对成像综合性能的优化具有重要意义。     

The fabrication of a multi-spectral lens array and its application in assisting color blindness

This article presents a compact multi-spectral lens array and describes its application in assisting color-blindness. The lens array consists of 9 microlens, and each microlens is coated with a different color filter. Thus, it can capture different light bands, including red, orange, yellow, green, cyan, blue, violet, near-infrared, and the entire visible band. First, the fabrication process is described in detail. Second, an imaging system is setup and a color blindness testing card is selected as the sample. By the system, the vision results of normal people and color blindness can be captured simultaneously. Based on the imaging results, it is possible to be used for helping color-blindness to recover normal vision.     

基于多光谱成像技术的水稻特征光谱提取

为了获取水稻光谱的有效特征信息,选取健康的TN1#水稻幼苗为研究对象,利用由液晶可调谐滤波器、单色CMOS相机与计算机控制软件组成的多光谱图像采集系统,获取健康水稻幼苗的20个可见光通道的多光谱图像。在此基础上,采用多光谱图像的平均灰度值,通过波段选择的指数方法计算出各通道的波段指数并加以排序,选出波段指数较大的10个通道,目的是探讨能有效反映出水稻特征光谱信息的特征波段。实验结果表明,用波段选择的指数方法提取多光谱图像的特征波段,能快速获取水稻的叶片信息。通道475nm、500nm、530nm、545nm、550nm、520nm、560nm、630nm、660nm、720nm能更好地反映出水稻特征光谱信息,可作为水稻的有效特征信息通道。     

基于LCTF成像和ABS算法的小白菜光谱特征波段提取研究

基于液晶可调滤波器(LCTF)和CMOS组合的多光谱成像系统,在435~720nm波段范围内,以每隔5nm波段对小白菜叶片进行灰度值信息的提取,然后求出各个波段的灰度值平均值、标准差以及相关系数,并采用自适应波段选择法(ABS)提取出小白菜叶片的波段指数,最后通过波段指数的排序选取出小白菜叶片的有效特征波段。实验结果表明,用ABS的特征波段提取的算法,能够快速有效地获取小白菜叶片的光谱信息,在445nm、450nm、455nm、680nm、685nm、690nm、695nm和710nm波段具有较理想的波段指数值,有较大的光谱信息量。因此,这些波段可以很好地作为识别小白菜叶片的有效特征信息波段。     

基于VC++的光谱成像中药检测系统的控制软件设计

为了实验的方便快捷、提高实验的效率、降低出错概率,设计了光谱成像中药检测系统的操作控制界面。光谱成像中药检测系统的两个主要组成器件为多光谱液晶滤光器和CCD摄像机。现采用VC++开发平台设计了多光谱液晶滤光器、CCD摄像机的控制界面,并实现二者的联动控制。该操作控制界面使用方便、友好,实现了整个系统的自动控制。     

基于眼模型的非球面眼底荧光相机的设计

运用非球面光学理论,设计了一款基于Gullstrand-Le Grand眼模型的便携式非球面眼底荧光相机。该相机根据滤光片选择原则,选用Nikon公司的B-2A滤光组合作为滤光系统进行光谱滤光;为避免角膜中心较大曲率引起的杂散光,采用环形光阑和共轴式照明相结合的照明方式实现眼底均匀照明;摄影系统中引入眼模型结构,综合校正了人眼及系统的像差,实现了全视场20×106pixel的高清晰成像。该摄影系统包含有2个非球面结构,使系统由9片镜结构简化为7片镜结构。实验结果表明,该相机具有较大的调节能力,对-12～+12m-1的人眼普遍适用,其视场角为30°,像面成像分辨率为120lp/mm,畸变值3.9%。非球面光学元件的使用,有效地简化了系统,减小了系统体积和重量,提高了成像质量。