大相对孔径大视场紫外告警相机光学系统

为了满足紫外告警相机的特殊应用需求,分析了超广角光学系统的结构形式、像差平衡以及像面照度的一致性。设计了工作于0.254~0.272m波段的大视场、大相对孔径紫外光学系统,其视场角为120°,相对孔径为1/2。该系统采用反远距,准像方远心光路设计,减小了轴外视场和轴上视场的像面不均匀性;通过优选光学材料并合理分配光焦度优化了系统特性。实验显示,该系统在满足成像质量要求的前提下,具有成像畸变小、像面照度均匀等特点。光学系统全视场最大弥散斑半径小于63.5m,轴上、轴外视场像面照度均匀性小于10%,0.71视场的相对畸变小于20%。整个光学系统结构紧凑,满足设计指标要求,适合紫外告警相机的使用。     

CCD图像灰度与照度的转换标定方法

本文提出了一种基于CCD摄像机利用图像灰度获得实际照度的新方法,该方法适用于摄像机的任意曝光和增益参数,且考虑了摄像机安装位置和角度对测量的影响。CCD摄像机照度测量法的实际应用主要涉及两个过程:一是标定过程,即应用CCD摄像机进行照度测量前,标定CCD图像灰度与照度之间的转换参数和转换模型;二是照度测量过程,即通过CCD摄像机拍摄图像,将图像灰度代入已定的转换模型,获得测量对象的照度值。其中,灰度与照度转换模型的标定是利用CCD摄像机实现照度测量的基础和关键,文中主要讨论了该模型的推导过程以及标定方法。具体为:首先通过理论推导获得图像灰度与CCD传感器感应的相对辐照度的关系,然后借助以均匀光源搭建的实验系统标定CCD传感器相对辐照度与物面实际照度之间的关系,进而获得图像灰度与物面实际照度的转换关系。在转换过程中讨论了曝光时间、增益以及CCD相机与照度测量点之间的距离和角度对转换模型的影响,为CCD摄像机照度测量法的实际应用奠定了基础。实验结果表明本测量及标定方法适用于摄像机任意曝光和增益条件,经过本方法标定后,应用CCD摄像机进行照度测量,测量结果的相对误差在4.5%以内。     

在线图像可视铁谱成像系统的像面照度均匀性

为了定量评价在线图像可视铁谱(OLVF)成像系统的像面照度均匀性,建立了一种像面照度模型。以像方参数及放大倍率表征物方视场,将物方视场区域离散化,采用朗伯余弦理论建立入瞳模式的像面照度模型,实现了像面照度的计算与均匀性评价。利用Matlab进行了物面照度仿真分析,确定了OLVF成像系统环形阵列光源的发光二极管(LED)数量,基于像面照度分析确定了最佳成像焦距和放大倍率。计算了油腔通油情况下成像系统中的光能量损耗以及磨粒沉积面的照度分布,建立了油液吸光系数与CCD像面轴上像点照度的关系。结果显示:LED发光强度已知时,仿真计算的像面不均匀度约为5.60%,实际测试的像面不均匀度为8%~9%,满足不均匀度≤10%的要求。开展了磨粒铁谱图像采集实验,结果表明:图像中磨粒清晰可辨,便于图像分割与视觉特征提取。提出的模型可定量描述OLVF成像系统的像面照度,可作为优化系统结构,提高系统成像性能的依据。     

广角f-θ静态红外地平仪镜头的光学设计

为了满足航天器对轻小、价廉,性能可靠的自主导航系统的要求,设计了广角静态红外地平仪系统。该系统选择辐射稳定的14～16.25μm作为工作波段,并设定全视场角为136°,F数为0.61;采用反远距结构,使系统后工作距达到15mm;利用f-θ镜头设计原理,并合理地选用非球面对广角系统进行优化设计,使系统的线性特性的相对误差0.5%;在空间频率为15lp/mm处,系统的调制传递函数0.6,接近衍射极限;在半径为20μm的圆内,系统径向能量85%。另外,采用了像方远心光路,提高了像面的照度均匀性,实现了整个像面照度均匀性99%。设计结果表明,该镜头结构简单、体积小、后工作距大,很好地解决了广角镜头轴外像差平衡问题,实现了地平仪系统的高精度设计。     

PCBN刀具切割工艺的研究

对PCBN刀具制造中的关键工艺即线切割和激光切割工艺进行了分析和研究。结果表明:PCBN复合片线切割粗糙度Ra为5μm左右,Rt最高可达到55μm,因此线切割后的PCBN磨削余量可达100μm;激光切割Ra为1μm左右,Rt实测结果为7·6μm,磨削余量可控制在10μm。激光切割对控制磨削余量和提高生产率十分有效。     

智能家居照度控制系统研究

提出了一个价廉物美、功能可靠、操作简单的智能家居照度控制系统方案。以单片机为控制核心,用含有光敏电阻的检测模块检测室内照度,根据设定可智能调节百叶窗和灯具的具体形态,并兼有温湿度检测等其他辅助功能,能有效提高居民家居照度控制的智能化程度。     

单光源高精度正交十字形激光标定装置设计

为了满足特殊的标定需求,保证四路正交激光标定线光学一致性,分析了利用单一光源形成四路十字形激光的成形原理,提出了利用柱面镜形成线光源结合分光棱镜多次分光和组合的方法,实现了单光源输出四向正交的激光十字形标定线,设计了实现激光平行光输入的准直物镜,分析了输出的十字形激光特征,采用模块化的设计思想完成了光学元件支撑结构设计和装调,并进行了主要指标的测试.测试表明,四路十字形激光的相互正交精度优于40″,单路激光十字线长度在(50.1 ±0.1)mn范围内,激光十字线的照度均匀,峰值半宽在0.1 ～0.2 mm之间,可以满足高精度的测量及标定要求.     

大间隙下的磁悬浮测控系统设计与研究

大间隙 (如 :15 0～ 2 0 0 m m )下的稳定悬浮控制涉及两个方面 :一方面是磁悬浮控制系统能够产生足够大的磁力克服被控对象的重力和扰动 ;另一方面是选用何种传感器能够检测大的悬浮间隙并反馈给悬浮控制系统使被控对象稳定悬浮。采用激光光强检测技术和磁悬浮控制技术相结合 ,实现了一直径为 2 m、重 34kg悬浮间隙为 180 m m的大型地球仪稳定悬浮并使地球仪以每分钟 2转的速度稳定旋转。     

光学系统照度分布及软件

对照度计算的常用方法进行了比较,编制了通用的照度计算程序,可计算平面、球面、二次曲面、高次轴对称曲面等系统的照度,考虑了透镜的反射和吸收、中心遮栏、镜面镀膜、光源的光谱分布等情况,提出并讨论了照度计算在色度方面的应用。     

基于MicroLED的高像素前照灯模组的开发

对光学设计理论和投影光学系统进行详细介绍,以最新的MicroLED芯片为光源,利用成像光学理论,完成了高像素前照灯模组的开发。该模组输出的光通量达到650 lm以上,其水平方向投射角度为24°,垂直方向投射角度为6°;在25 m屏幕处,其最大照度大于110 lx;具备2万以上像素,实现了自适应灯光照明、高亮提示和投影交互的功能。     

凝视型激光主动成像系统性能验证

为了研究凝视型激光主动成像系统对非合作目标的成像性能及在目标跟踪中的应用,设计了基于APD阵列和分束照明的凝视型激光主动成像系统。对激光回波功率与目标距离之间的关系进行了理论分析,结果显示:200m外目标的回波功率小于1μW。为提高系统作用距离,选取高增益带宽积跨阻放大器OPA657N提高系统增益,并通过优化元件布局来克服高跨阻值时的通道串扰。实验验证了距离方程的正确性。在此基础上,采用八连通团块检测方法实现目标探测,并对两轴目标跟踪进行了实验验证。结果显示:系统能够对200m处非合作目标稳定成像,并能获取420m处非合作目标的回波信号;当目标在俯仰轴、偏航轴方向行程大于2.5°时,系统能够实时探测并稳定跟踪。     

主动光立体标靶检测及其在工业机器人位姿测量中的应用

基于工业机器人位姿视觉测量方法提出了用主动光立体标靶进行机器人末端位姿测量的方法。以主动红外光代替反光标志点,以主动光图案特征代替亮度特征作为表达位置信息的形式,设计了六面体主动光标靶。通过合理设置特征面图案,使立体标靶特征面提供蕴含空间几何约束的信息,并在此基础上设计了特征面识别算法。在室内环境、室外环境、混合光环境等实验条件下,该算法可实现对主动标靶健壮的识别和定位。在高精度四轴移动平台上的测量误差评价实验表明：运用该标靶的立体视觉系统在0.5~3m工作范围内平均位置误差为0.0857mm,平均姿态误差为0.1086°,满足机器人位姿测量的要求。最后在YASKAWA的Motoman-MH80六轴机械臂上进行了机器人末端位姿的测量实验,验证了该方法的可行性和高效性。     

Two-dimensional imaging velocity interferometry: data analysis techniques

We describe data analysis procedures for an emerging interferometric technique for measuring target motion across a two-dimensional image at a moment in time, i.e., a snapshot 2D-VISAR. Conventional VISARs (velocity interferometer system for any reflector) are commonly used in shock physics to measure velocity history at a single point or many points across a line on target. These however are not recorded in two-dimensions and cannot be used with ultrashort pulsed illumination because the coherence length is smaller than the interferometer delay, preventing fringe formation. In our scheme, dual matched interferometers allow use of low- or incoherent illumination such as ultrashort laser pulses to freeze motion of target, allowing use of slow CCD imaging detectors. Quadrature phase recording and push-pull data analysis simultaneously produces an ordinary nonfringing reflectivity image and a fringing image. The latter is converted into a 2D-phase map which is proportional to target velocity. Example data on shocked crystalline [111] Si shows incipient features of ~50 μm scale.     

采用红外扫描激光与超声技术的室内空间定位

为了解决当前定位方法无法兼顾高精度、高集成度、多任务性、实时性测量的问题,提出了一种基于激光测距原理的室内空间定位系统。该方法通过单台测量基站向被测空间内发射旋转扫描红外激光信号以及超声脉冲信号,采用旋转扫描红外激光形成多平面约束,采用高精度超声测距形成距离约束。然后,将多平面约束与距离约束相耦合,得到测量靶标的非线性约束方程组。最后,利用非线性最优化算法解算得到测量靶标的精确空间坐标。该方法仅采用单台测量基站即可完成全周向、多任务实时性的空间测量与定位。采用激光跟踪仪系统作为比对基准验证了本方法的测量精度及可靠性。结果显示,在5m的被测空间内,其定位测量误差在0.3mm以内,可满足大多数工业测量应用场合需求。与传统的室内定位方法相比,本方法极大地提高了测量系统的集成度以及测量效率,为全站式空间定位方法提供了新的思路。     

复合式多点测量速度干涉仪光学系统设计

为满足爆炸冲击作用下物质界面的速度测量需求,设计了一种复合式多点测量的速度干涉仪。采用物方和像方双远心光路,将光纤阵列出射的照明激光定点投射到待测物面上,实现了针状滴注式照明,充分利用了照明激光能量,且保证了待测物面在运动过程中具有恒定的照度。成像系统像面采用末端为大芯径的锥形光纤接收信号光,既保证了物面运动过程中信号光与光纤的有效耦合,又保证了信号的单模输出,以便进入单模光纤马赫-曾德干涉仪进行差频干涉。采用具有微小楔角、沿直径方向镀矩形带状45°反射膜的反射镜,将照明光路与成像光路同轴,并校正了成像系统的大量像散。该干涉测量系统在物面运动10mm的行程中,物面滴注式照明照度保持恒定,像面光斑大小没有超出大芯径的光纤芯径。此光学系统能够满足爆炸冲击界面的大行程速度测量需求。     

视网膜细胞显微镜的照明系统

为满足视网膜细胞成像照明光束的高亮度、窄谱宽要求,提出了一种用于视网膜细胞成像的照明系统,将半导体激光器发出的632.8nm激光耦合到芯径为105μm的多模光纤中,用聚光镜将多模光纤的出光端汇聚到一个旋转毛玻璃上,再用一个投射物镜将毛玻璃上的光源像投射到眼睛里照亮视网膜。试验发现该照明方法很好地消除了激光散斑,满足视网膜显微成像对高亮度光源的要求,光源有较窄的谱宽,成像系统色差很小,成像质量优于采用传统氙灯做照明光源的图像。该照明系统能较好地满足视网膜显微成像。     

基于距离选通的非视域成像技术实验

介绍了采用距离选通技术进行非视域成像探测的原理,基于窄脉冲激光器和选通型成像器件搭建了非视域主动成像实验系统。以玻璃作为中介反射面,以黑白条纹靶板作为目标,对目标和周围环境处于不同光照情形时,系统的非视域成像效果进行测试。结果表明,基于距离选通的非视域成像技术是一种能够在不同光照条件下实现对视觉盲区进行有效观察的成像技术。     

射箭动态精度激光测试系统分析

CCD摄像机接收到模拟靶上的激光信号,第一路送到监视器,第二路送到录像机,第三路送到计算机进行图像处理。这个系统能记录运动员在瞄准过程中的状态。它为射箭运动提供了客观标准,纠正运动员在瞄准过程中的错误,为选拔优秀运动员提供系统资料。     

基于多光束照明的回波光场散斑抑制机理

为了有效抑制激光照射目标表面所产生的散斑效应,提高激光主动成像图像质量,提出采用多光束照明技术,通过理论分析与仿真实验相结合的方式验证了多光束照明在抑制回波散斑效应方面的作用。首先,建立了多光束分光照明模型,理论分析了多光束照明对于完全散射叠加场和部分散射叠加场的散斑抑制原理。在此基础上,根据理论模型构建了仿真实验系统,采用不同能量分配的分光方式,对3种不同表面粗糙度的目标进行了单光束回波散斑对比度和多光束回波散斑对比度实验评估。实验结果表明:等能量4光束照明的回波散斑对比度仅为单光束对比度的1/2,与理论分析结果完全吻合,充分验证了多光束照明技术在回波光场散斑抑制方面的有效性。     

激光在古典射箭系统中的应用

将He-Ne激光系统应用到古典射箭运动中,为射箭运动提供了客观标准;纠正了运动员在瞄准过程中的错误;为选拔优秀运动员提供系统资料。