波前编码景深延拓成像系统模拟实验研究

波前编码技术是结合光瞳位相调制和数字信号处理的一种新技术,由于它可以在不降低分辨率的前提下增加光学系统的景深,同时减小成像系统的体积和降低成本,因此该技术具有很好的应用前景.设计了一个波前编码成像系统,并联合ZEMAX和MATLAB软件对该系统进行了计算机成像模拟实验.模拟实验结果表明:在由相位系数决定的离焦范围内,波前编码成像系统能实现在不降低分辨率的前提下的景深延拓;当三次相位板系数为20π时,波前编码系统可以将传统光学系统的景深扩大60倍.     

基于ZEMAX用户自定义操作数的波前编码成像系统优化设计

针对目前波前编码成像系统中相位板的设计工作量大且未能考虑除相位板外其它光学元件像差的问题,提出了两种基于常用光学设计软件ZEMAX的优化设计方法:使用ZPL宏指令编写用户自定义操作数,优化点扩散函数的能量集中度和一致性,实现了旋转对称型相位板的设计,以斯托列尔比不小于0.8为衡量标准,设计结果使景深扩展到传统光学系统的5.5倍;使用在外部定义和编译的C程序编写用户自定义操作数,优化调制传递函数的离焦不变性,实现了奇对称型相位板的设计;以MTF离焦不变性为衡量标准,设计结果使景深扩展到传统光学系统的12.5倍,而同等条件下的三次方相位板只能使景深扩展到传统光学系统的10.1倍。得到的实验结果说明本文所述设计方法是方便而有效的。     

波前编码系统的新设计

利用传统光学系统评价指标斯特利尔比和能量集中度来表征波前编码系统的成像特征,建立了系统"离焦不敏感性"的评价函数.采用所建立的评价函数设计了应用波前编码技术的三片式系统,系统焦深比原系统扩展10×以上.结果表明:新设计方法使得波前编码系统设计得以在流行的光学设计软件CODE Ⅴ、zemax中实现,并可以很方便地控制"离焦不敏感性"和"图像可恢复性"之间的平衡,解决了目前波前编码系统设计时没有现成软件,没有成熟方法的问题.     

波前编码系统的一种新设计方法

摘 要：本文提出波前编码成像系统的一种优化设计思想,可以利用常用光学设计软件进行系统的优化设计。采用此设计思想设计出一采用波前编码技术的三片式系统,其焦深范围比传统系统扩展10倍以上。最后探讨了波前编码系统设计时“离焦不敏感性”和“图像可恢复性”之间的平衡问题。     

混凝土结构裂缝宽度波前编码测量系统的设计

混凝土结构裂缝宽度测量对监测建筑结构的健康状态、避免混凝土结构损坏性缺陷具有十分重要的意义。为了克服基于传统光学成像技术设计的手持式混凝土裂缝宽度测量系统焦深小准确调焦困难,以及由于存在像差和混凝土表面凹凸过大致使视场内图像无法完全清晰等缺陷,采用波前编码技术重新进行缝宽检测系统的设计,以便有效地拓展景深（焦深）。首先,讨论了波前编码立方型相位板规一化参数及其与实际系统相位板设计参数之间的关系,接着利用CODE V光学设计软件,完成了手持式裂缝宽度波前编码测量系统的设计,然后加工制作了立方型相位板并进行了初步实验。实验表明,采用基于单透镜的波前编码系统设计,在满足50mm分辨率、F数为6的前提下,可将景深拓展为15mm,达到传统光学系统相同F数时景深理论值的4.5倍。该系统能够满足混凝土结构裂缝宽度测量中扩大景深和成像的基本要求。     

基于波前编码技术的眼底成像系统

提出了一种混合光学-数字眼底成像系统,该系统不需要探测和补偿不同人眼带来的像差的动态变化,即可获取高分辨率的视网膜图像。该系统在出瞳位置放置一块三次相位掩膜板对眼底图像进行编码,然后采用维纳滤波算法复原获取清晰图像。利用基于光学成像的二维卷积模型对该系统进行了仿真实验,结果表明,针对不同个体的人眼像差,三次相位板可以使系统的点扩散函数在一定范围内保持一致,从而校正包含离焦、彗差、像散、三叶草在内的人眼像差,获得清晰的眼底图像。该系统的设计简化了传统眼底相机的复杂光学结构,是一种便携式结构。     

基于波前编码的光数混合景深延拓技术的研究

波前编码技术通过在光学系统的出瞳面加入一个非球面透镜,使光学系统的焦深增加一个数量级,并能够校正由各种原因的离焦引起的像差。介绍了波前编码技术的工作原理及其应用,并给出了采用三次相位掩模板时系统的成像结果。实验结果表明,波前编码技术将光学设计和数字图像处理相结合并进行整体优化,大大提高了光学系统的成像性能,在各类光学系统中具有非常广阔的应用前景。     

波前编码技术扩展焦深的系统实验

为了扩大光学系统的焦深,建立了采用波前编码技术的光学/数字一体化系统,通过在普通光学系统孔径光阑处加入一个位相掩模板和后期数字处理的优化结合,实现了光学系统焦深的大幅扩展。介绍了波前编码技术的提出、发展及理论基础,设计了一个三片式的三次位相板系统,利用光学设计软件CODEV对传统系统和波前编码系统的成像特性进行了对比分析,给出了±40倍离焦范围内的点扩散函数三维轮廓图和调制传递函数曲线。最后,对研制的系统进行成像实验,并对波前编码系统解码前后的成像效果与传统系统进行了比较。实验结果表明,与传统系统相比,所设计的波前编码系统可以在保持光通量和像面分辨率的情况下将焦深扩展40倍。     

基于整数编码遗传算法改进的起重机主梁优化

轻量化是起重机的发展趋势之一,利用优化技术减轻主梁质量是其关键而有效的方法之一。首先,综合考虑主梁设计模型中变量的离散性与连续性以及各类约束,对传统主梁优化模型进行了补充与改进;然后,对传统的整数编码遗传算法进行了改进,保留了选择、交配、变异操作产生的群体,扩大了搜索空间,能够处理新的主梁优化模型中设计变量取值区间不同、变量间有约束的情况;最后,以浙江省某企业的QD型起重机为实例,利用改进的整数编码遗传算法对主梁进行了优化求解,同时通过与现有算法的比较,优化模型的有效性和算法的收敛稳定性得到了验证。     

机动式车载自适应光学波前处理器的设计

为满足机动式车载自适应光学系统的需求,设计了专用的波前处理器。该波前处理器采用波前处理主板、波前处理子板和DA转化板相结合的硬件架构,由光纤作为通信载体。在满足功能需求的同时提高了系统的可靠性;波前处理器是自适应光学系统闭环控制的运算中心,其运算延时直接影响系统的控制带宽。本文提出一种基于FPGA的多线流水自适应光学实时波前处理方法,实现了波前斜率计算、复原运算和控制运算。结果表明:对于两级精密跟踪,97个子孔径以及97单元变形镜的自适应光学系统,系统处理延时为506.25μs,满足系统1 500Hz的实时波前处理需求。     

基于精英选择自适应变异遗传算法的膜系优化设计

将改进的遗传算法——精英选择自适应变异遗传算法(EGAAM)用于光学薄膜的膜系优化设计。EGAAM采用了独特的自适应变异操作,该操作既使得群体保持了多样性,防止过早收敛,又加快了群体收敛速度。EGGAM对初始条件不敏感,并且可以确定膜层厚度边界,确保了设计结果的制备方便。通过减反膜、分光膜的实例优化设计表明,在相同设计条件下,用EGAAM可以得到比传统遗传算法更好的设计结果。理论与实例表明EGAAM用于膜系优化设计是高效和可靠的。     

基于遗传算法的激光打孔路径优化

针对目前激光打孔过程中存在的问题,采用遗传算法对激光打孔路径进行优化.建立了路径优化目标函数模型,对激光打孔路径优化总体设计,遗传算法的实现所需要的适应度函数、选择算子、交叉算子、变异算子等遗传操作进行了说明,并通过实例说明,采用遗传算法对激光打孔路径进行优化,可以显著地提高激光打孔加工效率.     

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。     

基于实数遗传算法的几何约束求解

提出一种用于几何约束求解改进的实数编码遗传算法 ,它在一般实数编码遗传算法基础上 ,增加基因初始种群的人工选择以及对交叉、变异算子的改进 ,并通过添加外循环的过程 ,大大提高遗传算法的求解能力 ,最后通过变量区间的二分和组合 ,求出约束方程组的全部解     

基于遗传算法的车削用量优化研究

为合理地选择切削用量,建立了基于遗传算法的切削用量优化系统框架结构,系统地研究了遗传算法及其相关内容。在约束、单优化目标函数数学建模的基础上,采用线性加权法建立的多目标优化函数;采用罚函数法改进目标函数,使约束直接表示在目标函数中,简化了切削用量的寻优过程。最后,应用遗传算法开发了一个车削用量优化器,对多约束条件下的切削用量优化结果进行了分析,总结了寻优过程中约束条件影响切削用量优化结果的规律。