大视场平行光管光学系统的研制

一般的平行光管,其视场角大多在±1°左右,而检测战斗机仪表的平行光管,其视场角要求达到±15°,为此必须对光学系统做特殊的设计。通过理论计算和Zemax光学设计软件的优化,给出了通光口径为Φ100mm、视场角为±15°的四分离式光学系统的实例,并介绍了物镜组制造时的材料检测、物镜组的加工、装配组合等相关技术措施。     

大视场平行光管的研究与设计

平行光管是光学实验及计量检测的重要设备,它可以测量微小角度位移及平面的微小起伏。介绍一种特殊用途的大视场平行光管的结构研究与开发,主要用来进行角度测量。实验表明利用该设计方案,大视场平行光管的精度得到了较大的提高。     

大口径平行光管用于光轴平行度测量的实现

本文利用大口径平行光管,设计了一套光轴平行度检测系统.介绍了该系统的组成、工作原理,分析了提高系统检测精度的关键技术.     

标定模板与图像平面平行时的摄像机标定方法

在工业应用的机器视觉系统中,存在着较多的图像平面与标定模板平面平行的情况,针对这种情况,提出了一种新的简单而快速的标定方法。该方法仅需要一个取景器和一个平面标定模板,通过取景器可直接得到光轴中心坐标,同时也可计算出镜头的焦距;再利用平面标定模板上的特征点计算出摄像机模型的其他参数。实践证明,该方法无需预标定过程即可迅速、方便地对摄像机的内外参数进行标定,并且具有较好的精度。     

大视场光电测量系统的精密几何标定和畸变校正的研究

本文研究在大机场精密光电测量系统中最为关键的测量精度问题。深入地讨论了这种大视场光电测量系统的高精度几何标定方法,重点探讨了利用计算机通过解析方法补偿光学系统几何畸变的途径,以期达到在光学系统精度较低的情况下测量系统也可以进行高精度测量的目的。为了达到上述目的,主要研究了以下几个问题:分析了摄影测量的基本原理,提出相机标定和畸变校正问题;建立适合于相机标定和畸变校正的数学模型;研究了对相机进行精密标定的方法和手段;研究了标定数据的分析处理方法;进行计算机仿真实验,分析实验结果。     

平行光管的基本原理及使用方法

平行光管是最基本的校验仪器.为了便于光学仪器的安装和校验,着重介绍了平行光管的基本原理及结构组成.它主要由物镜、分划板和毛玻璃组成,五种分划板决定了平行光管的不同用途.根据生产实践要求而设计的平行光管,可以在室内提供有限距离的目标.它可以用于仪器的装校,光学系统特性常数的测定等.     

用于大视场目标定位的复眼系统标定

探讨了设计的大视场复眼定位系统的结构特点、定位数学模型、三维目标阵列、标定方法和定位特点.介绍了复眼结构和系统装置,建立了目标定位和多通道同时标定的数学模型.通过引入分光器,调整目标平面水平移动轴和目标平面的垂直性以及目标平面和复眼平面之间的平行性.然后,使用消逝点和目标共像点求得初始点和初始距离,得到目标平面上每一点的空间三维坐标.最后,求出目标阵列与对应通道的入射角度,提取出对应的目标像点重心,建立了各通道入射角度和像点重心之间的对应关系.实验结果显示,初步标定后的系统能对横向110°、纵向90°视场范围内的目标进行定位,距离定位精度在2％以内.提出的方案基本能满足复眼成像非线性标定的要求,具有一定的操作灵活性.     

大型光学设备检测中大口径平行光管波像差的消除

使用大口径平行光管检测大型光学设备或元件时,平行光管的自身误差会影响检测结果,故本文提出了一种消除光学检测结果中平行光管引入误差的新方法。该方法使用干涉仪获取平行光管和光学检测系统的出射波前信息并以37项Standard Zernike Phase多项式进行拟合;通过两组系数相减分离平行光管引入误差,再配合ZEMAX中建立的等效被检光学系统的仿真模型模拟真实系统的出射光锥,最终获得被检光学系统真实的出射波前信息。利用ZEMAX中的光学系统模型验证了该方法在大口径光学检测工作中的可行性;使用焦距为1 597mm,口径为150mm的小型平行光管、焦距为50mm的光学镜头进行了实验。实验结果表明:使用该方法获得的被检光学系统出射波前与真实波前的PV值误差小于0.005λ,RMS值误差小于0.001λ,可以满足实验室中对被检光学系统成像质量参数检测的精度要求。     

基于BP神经网络的大视场成像畸变校正方法

提出了基于BP神经网络的畸变校正方法,实现了在不确知畸变数学模型情况下的高精度校正。应用平行光管法测得900组光点坐标数据作为BP神经网络的训练样本,通过训练得到一个隐含层有6个节点的3层BP神经网络模型,然后使用77组数据检测了该神经网络的校正效果,并与使用相同检测数据的双线性插值方法进行了比较。实验表明,神经网络较插值方法精度高,误差数据分布的规律性好,而且与插值方法相比,它避免了误判区域的问题,便于校正。     

一种考虑畸变的摄像机线性标定简化方法

根据视觉机器人系统结构特殊的特点,作了大量的简化,采用线性标定方法.但考虑到摄像机的视场仍然比较大,提出了基于拟合平面的线性畸变纠正方法,将畸变的图像坐标纠正到理想图像坐标,而后根据摄像机线性标定模型,计算出世界坐标,完成标定工作.实验结果表明,该方法简单、快捷,且精度也能达到较高的水准.     

红外观察仪图像畸变的校正

通过对红外观察仪成像失真原因的分析,建立了一个非线性畸变校正的数学模型,该模型适用存在径向非线性失真的成像系统,并基于该模型对红外观察仪输出的图像进行了畸变校正,给出了实验结果,经过校正后的图像检测点的最大定位误差在1个像素以内。方案还具有可扩充性和可移植性。     

一种基于正交直线构造的摄像机畸变标定方法

提出了一种不需要利用共线特征点就可以消除非线性迭代优化过程中参数耦合问题的畸变参数标定方法,只需一幅图像即可获得高精度标定结果.首先设计了可避免非线性优化不稳定的畸变校正模型,然后直接利用4点求得的单应性矩阵并与另一点构建平面内正交线段,并结合对偶圆环点构造了正交代价函数.通过Nelder-Mead非线性单纯型法对正交代价函数中的畸变参数进行寻优,即可完成畸变参数的标定.仿真和实际图像实验表明了该方法的有效性.     

压印对正系统中标记图像几何畸变的校正

在综合分析了多种线性及非线性畸变后,建立了三次多项式图像系统畸变模型。采用基于控制点偏差目标函数最小优化法进行畸变模型的求解,并通过计算自标定偏差均方差与互标定偏差均方差对标定结果进行了评定。结果表明,模型求解误差为0.22 μm,通过校正标记图像几何畸变引入的定位误差由2.5 μm降低到0.25 μm,可实现压印对正系统中标记图像几何畸变的校正,实现精确定位。     

激光投线仪的多维校准系统

分析了激光投线仪的工作原理及其基准误差的产生原因。基于此,提出了一种新型的激光投线仪校准系统,用于弥补传统校准方式占地面积大、精度值难以量化、人为因素影响较大等缺点。研究了一套采用平行光管角度测量与机器视觉测量结合的检测方法,通过检测激光线的直线度和垂直度来实现仪器的校准。该系统由8个采样管构成数据采集平台,从而达到多维校准的要求。采用VC++与Matlab混合编程的方式编写系统软件,通过调用动态链接库的方式使两种语言相结合。实验测试表明,该系统操作简单,效率高;与传统校准方式相比,其节约了场地长度,整个系统的占用空间控制在8 m³以内;另外,系统提高了校准精度,其水平线和铅垂线平均精度可以达到±0.2 mm/5 m,正交线精度可以达到±23"。     

畸变测量中偏心角的调整技巧

测量光学系统畸变的方法较多,精密测角法为常用的一种测量方法。为了准确地测试光学系统的畸变量,偏心角的调整极为重要。如果存在偏心角则影响光学系统畸变的测量结果,当偏心角偏大时将可能得出错误的结论。然而偏心角的调整是一项较为复杂的过程,现从原理上对偏心角进行分析,得出一种快速而简便的畸变偏心角调整方法,并给出合理的残余偏心角修正公式,使测试结果更加合理。     

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。     

基于纯平移两视图几何的镜头畸变参数标定

针对摄像机镜头畸变对系统测量精度的影响,提出了基于纯平移两视图几何的镜头畸变参数标定方法。首先,分析了机器视觉测量中影响测量精度的主要畸变类型,建立了镜头非线性畸变模型。然后,利用射影几何及纯平移两视图几何的固有特性,构建了四组约束方程用于求解畸变参数。最后,针对大视场测量时标定板无法有效充满视场的问题,提出了利用四维电控平台对视场分区域拍摄多组纯平移运动图像的畸变参数标定流程,利用较小的靶标实现了大视场的镜头畸变参数标定。在实验室验证了本文提出的畸变校正方法的可行性。结果显示:提出的方法标定精度较高,标定后图像特征点连线的直线度误差减小了89%,标定精度及可靠性均满足机器视觉测量的要求。     

离轴三反光学镜头像面畸变的标定方法

介绍了一种离轴三反光学镜头像面畸变的标定方法和步骤,以及建立标定系统的原理和组成。对三反系统镜头像面畸变进行了分析,建立了畸变的数学模型,应用最小二乘多元回归的方法,求得镜头的成像像面方向的畸变。实际标定结果表明:该方法对像面绝对畸变的标定精度可以优于2μm（1σ）,相对测量精度优于1×10-4（1σ）。该方法可以满足离轴三反镜头高精度畸变标定要求,具有实际应用价值。