基于稀疏矩阵的光学元件表面疵病检测

提出了一种基于稀疏矩阵的表面疵病快速拼接方法。该方法采用环形白光光源均匀地照射到被测元件表面,光经显微散射暗场成像系统后形成暗背景下的亮疵病图像。通过对光学元件的x,y方向进行扫描,得到子孔径拼接图像。基于稀疏矩阵和图像拼接,对子孔径图像进行快速拼接,得到全孔径疵病图像。基于最小外接矩形原理,对图像疵病进行识别和分类,最终得到7个光学元件表面疵病划痕,其最大长、宽分别为15.2110 mm和0.0297 mm;麻点有5个,其最大长、宽分别为0.1089 mm和0.0967 mm。将测量得到的划痕宽度与标准划痕宽度进行对比,得到划痕宽度的相对误差范围为-5.00%～5.50%。在此基础上,对实际的光学表面进行检测,得到光学元件表面疵病信息。     

光学元件表面疵病检测扫描拼接的误差分析

为实现大口径光学元件表面疵病的高效率、高精准的检测,本文提出一种能分辨微米级疵病的光学显微散射扫描成像检测系统,因为该检测系统单个子孔径的物方视场为毫米级,所以检测大口径光学元件需对X、Y方向进行子孔径扫描成像并将子孔径图拼接成同一坐标系下的全孔径图.在进行扫描时,系统的机构误差会被引入到子孔径列阵中,导致子孔径拼接处产生像素错位,甚至造成拼接断裂的情况,从而严重影响疵病等级及位置的正确评定.鉴于此,本文对影响全孔径拼接最敏感的误差因素进行了分析,并根据其特点找到合理减小误差的方法,确保子孔径的正确拼接.     

光学元件表面疵病检测扫描拼接的误差分析

为实现大口径光学元件表面疵病的高效率、高精准的检测,本文提出一种能分辨微米级疵病的光学显微散射扫描成像检测系统,因为该检测系统单个子孔径的物方视场为毫米级,所以检测大口径光学元件需对X、Y方向进行子孔径扫描成像并将子孔径图拼接成同一坐标系下的全孔径图。在进行扫描时,系统的机构误差会被引入到子孔径列阵中,导致子孔径拼接处产生像素错位,甚至造成拼接断裂的情况,从而严重影响疵病等级及位置的正确评定。鉴于此,本文对影响全孔径拼接最敏感的误差因素进行了分析,并根据其特点找到合理减小误差的方法,确保子孔径的正确拼接。     

微表面形貌大视场检测相移显微干涉仪研制

基于相移干涉术,研制了立式大视场Mirau相移显微干涉仪,它包括干涉成像和照明系统、竖直方向上的压电陶瓷传感器(PZT)微位移系统、被测面的两维扫描系统、图像采集和处理系统,是无限筒长显微镜结构和Mirau干涉结构的叠加。大视场表面形貌通过多孔径扫描拼接实现。单片机串口控制电路控制电控平移台的精确位移,实现了被测面的两维扫描,最小的横向位移为0.039μm,扩展后的视场达到12.5mm×12.5mm。测量了光纤连接器端面的表面形貌,重复测量精度小于2nm。     

超光滑表面瑕疵的光学显微成像和数字化评价系统

提出了利用一种特殊设计的LED多光束环状分布照明光源,与显微镜组成超光滑表面元件缺陷检测的光学显微散射成像系统,获取适合于数字图像二值化处理的暗背景上的亮瑕疵图像.利用X、Y,两方向的精密移导系统对表面实施子孔径图像的扫描.在原有的子孔径图像拼接"边缘拓展法"算法的基础上,提出一种基于特征分类的多层次图像拼接算法.该算法分为特征分类和多层次拼接两个部分:通过重叠区域内特征的提取和分类,将所有子孔径图像的重叠区域分为四类;然后针对这四类重叠区域的不同特点,有次序地进行图像拼接,最终得到全景图像.并应用二元光学制作了标准比对板,以获得瑕疵正确的数字化评价依据.实验结果证明:该系统和算法特别适合在被测表面范围较大、具有微米量级分辨率的瑕疵的数字化定量检测和评价.     

基于亚像素图像拼接的透明元件视觉测量方法

针对透明光学元件特征不明显以及机器视觉难以进行大视场、高精度尺寸测量的问题，提出一种基于亚像素图像拼接的视觉测量方案。该方案对相机坐标系与世界坐标系间的旋转角进行标定，获得精确的尺度因子与图像预匹配结果；图像坐标系旋转角校正后小于0.1°；通过添加网格背景实现透明元件特征匹配。所提基于滑动窗口预匹配、随机采样一致性筛选最佳偏移向量的配准算法，使图像拼接精度达到0.05 pixel，较已有研究明显提升。将该方案应用于透明光学元件视觉检测系统中，在移动精度仅为0.02 mm的条件下，获得了平均误差为0.12 pixel的图像拼接结果，实现了透明光学元件的大视场、高精度尺寸测量。     

用于在线检测的紧凑型多测量模式干涉仪

光学干涉仪由于高精度、全口径、非接触特点在光学元件的检测中具有极其广泛的应用。针对光学元件加工在线检测需要,提出了一种紧凑型的多测量模式瞬态干涉仪。该系统可同时实现单波长激光干涉、多波长激光干涉以及LED干涉显微测量等多种工作模式,以分别满足不同动态范围宏观面形以及表面粗糙度等显微结构的干涉检测。针对在线检测应用中复杂的环境振动影响,系统采用偏振相机来实现瞬态的偏振移相波前检测。为验证系统方案的可行性,对测量系统的主要误差因素进行了分析,并对不同工作模式下的金刚石车削机床在线检测结果与Zygo激光干涉仪和Zygo光学轮廓仪进行了比对实验,同时也利用多波长技术对自由曲面进行了在线检测。结果表明该系统可实现高精度的多测量模式,并且还可以满足大动态范围波前测量要求。该系统结构紧凑,整体尺寸仅为195 mm×160 mm×65 mm,极其适合车削机床的在线安装及检测。同时系统基于瞬态波前检测,具有对环境扰动不敏感的特点,在机床对中工具在线调整以及加工元件等在线检测中具有广泛的应用前景。     

ICF终端光学元件损伤在线检测装置的研究

终端光学元件是惯性约束聚变（ICF）系统最重要的组成部分之一。文中针对ICF系统中终端光学元件损伤的高精度、高效率检测问题,对光学元件损伤在线检测技术进行了研究,以神光-Ⅲ原型装置终端光学元件为检测对象设计了光学元件损伤在线检测系统。针对终端光学元件的排布特点及其检测要求,利用CODEV软件设计了高分辨率变焦距望远光学系统;根据终端光学元件在靶室中的分布位置,设计了相应的对准及定位系统,实现了对球体空间排布的大尺寸光学元件组的远距离、高精度、实时快速检测。模拟ICF靶场环境进行了离线仿真实验,实验表明:系统的MTF曲线在68 lp/mm大于0.4,80%能量分布在22像元内。在1.8~2.8 m的工作距离下,检测装置对300 mm300 mm视场范围内60 m以上的损伤点可以通过图像处理方法进行分辨,160 m以上的损伤点可以进行精确测量;姿态调整系统各运动环节运行精度均优于13 arc sec,满足检测要求。     

基于数字全息扫描成像的划痕缺陷全场三维测试

为实现光学元件表面疵病的三维全场测量,提出了一种数字全息显微扫描成像的检测方法。该方法基于数字全息角谱数值重建算法,获得光学元件表面划痕的相位分布,通过扫描拼接实现划痕的全场测量;然后,在数字全息显微实验装置的基础上增加二维精密扫描部件,对于宽50μm、深50 nm标准划痕,测得其宽度为49.2μm、深度为48.9 nm,同时拼接获得该划痕的全场三维形貌。实验表明:该检测方法可实现大视场划痕缺陷的全场三维测试,其宽度和深度测量的相对误差分别为1.6%和2.2%。     

一种去除拼接干涉图中累积误差的简单方法

用子孔径拼接干涉法来检测大口径光学元件和光学系统是一种成本较低的有效手段。但是随着子孔径数目的增加,拼接得到的面形图中存在着很大的累积误差严重影响了拼接的精度,因此如何简单快速地去除累积误差成为子孔径拼接干涉检测法研究的主要问题之一。文中介绍了一种简单且快速的方法去除拼接中的累积误差。并且对一个大小为180 mm80 mm 的平面镜进行了6 个子孔径拼接检测实验。在实验中,文中提出的方法很好的去除了拼接中的累积误差。     

UAV image stitching by estimating orthograph with RGB cameras

In the field of image stitching, cases with large camera optical center movement and large parallax have been the virgin territory of research. The goal of image stitching is to overcome the parallax and stitch a natural image. We look into this problem in the context of ultra-low altitude flight of a UAV. We model the 3D world in this scenario and quickly estimate orthographic projection by pairs of homography matrices. Our stitching method can achieve precise alignment since it takes parallax well into consideration. The stitching results are natural and the extra time consumed is short.     

External linearisation of a MEMS electrothermal scanner with application in a confocal microscope

A compensatory mapping (CM) technique for external linearisation of a MEMS electrothermally actuated optical scanner is reported. Each individual axis of a two-axis MEMS scanner was linearised by the CM technique, and the scanner was then incorporated into a confocal optical microscope configuration. Cross-talk in the scanner when both axes are driven simultaneously, and arising when a drive signal to one axis of the scanner produces a mechanical response in the orthogonal scan axis, was subsequently compensated for by using a look-up-table optimised using a random search algorithm.     

基于面阵CMOS图像传感器的2×2拼接系统视频电路设计

论述了以2K×2K面阵CMOS图像传感器LUPA4000为基础的2×2光学拼接系统视频电路的方案设计及具体软硬件设计.每块传感器具有独立焦平面电路和信号处理电路,系统采用编码与控制电路实现4块传感器同时曝光成像和积分时间同步设置,编码与控制电路将4块传感器的图像数据编码后通过一路Camera Link接口输出.实验成像结果表明,电路运行可靠,操作灵活,可扩展性强,能够得到很好的拼接图像.     

A self-scanned solid-state image sensor

An experimental television camera incorporating a completely integrated self-scanned solid-state image sensor has been built. The integrated sensor includes a photosensitive array having 32 400 picture elements, two 180-stage shift register scan generators and associated video coupling transistors. This large-scale integration of more than 100 000 components was carried out in the laboratory entirely by evaporated thin-film techniques. Each element of the photosensitive array comprises one or two photoconductors of CdS or CdS-CASe mixture, each in series with a diode. The 180-stage scan generators utilize 540 CdSe TWF's deposited upon a glass snbstrate. Center-to-center spacing of elements in the array and in the scan generators is 2 mils. The array is scanned at conventional television scan rates permitting the picture to be displayed upon a commercial television receiver. The camera is connected to the receiver either through a cable or through a UHF link with camera and transmitter powered by a self-contained battery. Camera circuits other than the integrated sensor employ conventional transistors and integrated components. Progress toward the development of an improved sensor having more picture elements is outlined.     

基于地球椭球的离轴式双线阵相机像移补偿

离轴反射式双线阵立体测绘相机的视轴和光轴分离,由于地球为椭球体,视轴和光轴对应的地物点的距离随星下点与升交点的地心角而变化。而成像传感器与光轴垂直,对视轴对应的地物点成像,这些因素导致离轴反射式双线阵立体测绘相机的像移速度和偏流角随离轴角等变化。在对离轴反射式空间相机的成像原理进行分析的基础上建立其等效简化模型,推导了基于地球椭球的离轴反射式双线阵立体测绘相机的像移速度和偏流角计算公式。并以某离轴反射式双线阵立体测绘相机为例,对正视相机和后视相机统一调整行周期与偏流角对成像质量的影响进行分析。分析结果表明,以调制传递函数下降不超过5%为约束,当积分级数大于4 时应分别调整正视相机和后视相机的行周期。统一调整偏流角时应以正视相机和后视相机偏流角的均值为准,积分级数应取89 以内。     

A 1.25-inch 60-frames/s 8.3-M-pixel digital-output CMOS image sensor

The ultrahigh-definition television (UDTV) camera system requires an image sensor having four times higher resolution and two times higher frame rate than the conventional HDTV systems. Also, an image sensor with a small optical format and low power consumption is required for practical UDTV camera systems. To respond to these requirements, we have developed an 8.3-M-pixel digital-output CMOS active pixel sensor (APS) for the UDTV application. It features an optical format of 1.25inch, low power consumption of less than 600 mW at dark, while reproducing a low-noise, 60-frames/s progressive scan image. The image sensor is equipped with 1920 on-chip 10-bit analog-to-digital converters and outputs digital data stream through 16 parallel output ports. Design considerations to reproduce a low-noise, high-resolution image at high frame rate of 60 fps are described. Implementation and experimental results of the 8.3-M-pixel CMOS APS are presented.     

基于最大似然估计算法的子孔径拼接检测技术

大口径平面镜作为光学系统的重要组成部分, 其面形精度对系统成像具有重要影响。子孔径拼接检测作为大口径光学平面反射镜检测的常用手段, 子孔径拼接算法是该技术的核心。研究了平面子孔径拼接算法, 基于最大似然估计与正交化Zernike多项式拟合建立了一套合理的拼接算法与数学模型, 基于该算法模型可以有效实现对大口径平面镜的拼接检测, 同时编写了相应的拼接程序, 并利用100 mm干涉仪对120 mm的平面镜进行了拼接检测, 给出了拼接检测与全口径检测的对比结果, 对比结果表明: 拼接所得全孔径相位分布与全口径检测结果的RMS值偏差分别为0.002, 验证了算法的可靠性与准确性。     

全景立体球视觉装置的镜头位置校准方法研究

全景立体球视觉装置使用机械结构将多路图像采集系统进行封装定位,能同时完成全景拼接和三维重建的功能。但缺少一种有效的校准方法,来消除由加工制造和封装结构安装所产生的微小误差,这种误差多表现为各镜头光轴不平行、所成角度不准确等,且此误差不易测量。通过分析系统封装结构和相机成像模型,采用一种激光聚焦光斑检测微调的方法,利用采集图像中激光光斑的位置作为依据,对装置中四个鱼眼镜头进行水平及角度的位置校准,这样即可使得各光轴在同一平面,且所成角度精确为90°。全景立体球视觉装置的镜头位置校准是其功能应用的重要技术前提。     

脉冲激光辐照CMOS相机的图像间断现象及机理

为了研究脉冲激光辐照CMOS相机时拍摄图像产生间断现象的原因,利用1 064 nm脉冲激光对卷帘快门式CMOS相机进行了辐照实验。在获得的图像中观测到了间断现象,表现为垂直方向上的亮区和暗区,计算表明各帧图像中暗区的行数为固定值。根据CMOS图像传感器积分方式和扫描机制,分析了图像间断现象的形成机理为卷帘快门式CMOS存储的不同时性。理论计算结果与实验结果一致,并理论分析了完全无暗区图像存在的原因。提出了基于多帧间断图像采用拼接手段获得完整连续图像的方法,得到的图像与直接拍摄图像基本一致。     

二维指向镜系统成像特性研究

为了实现对大视场范围的目标进行搜索捕获或者成像,采用了二维指向镜与面阵探测器相结合的技术方案。对二维指向镜系统电机转角耦合特性和成像规律进行研究。首先,从光学反射矢量理论出发对二维指向镜系统建立数学模型,解耦得到扫描电机转角与视轴指向方位角之间的关系;然后,从数学模型出发可得出电机扫描时目标在像面的扫描轨迹和二维扫描镜系统造成的像旋情况,实验测得扫描轨迹的倾角与计算所得的轨迹倾角误差小于0.1°,像元位置偏差不到0.2个像元;最后,分析了采用二维扫描镜的成像系统消除像旋的算法,为二维指向镜实现精确跟踪和软件校正像旋提供理论依据。