大面阵连续变焦面阵扫描红外光学系统设计

基于红外扫描图像系统理论,设计了一款采用大面阵1 280×1 024 pixel@12μm/F2中波制冷传感器的连续变焦面阵扫描红外光学系统。按照设计指标要求,对光学系统参数进行分析后,确定采用像方扫描方式补偿扫描平台运动产生的积分时间内的物面移动,解决面阵探测器扫描时的热成像拖尾现象,望远系统采用二次成像、负组元变倍、正组元补偿的结构形式实现连续变焦,即光学系统结构确定为三次成像的型式。在设计程序中对凸轮曲线、扫描光学系统的热冷反射做出分析调整。光学模拟结果显示:系统在扫描振镜往返情况下,全视场的MTF值在频率42 lp/mm处均大于0.3,并且凸轮曲线在整个变焦过程中平滑,没有出现拐点,最大压力角小于50°。最后,对系统开展了成像实验测试,实验结果表明:该控制系统能够在60 mm~600 mm区域连续变焦,在变焦过程中成像周围景色清晰可见,完全没有冷反射情况发生,同时系统在旋转扫描过程中成像均清晰稳定,没有拖尾现象。该系统可用于连续变焦搜索跟踪一体的红外系统中。

40^(×)大变倍比宽波段连续变焦光学系统设计

为了实现对远处目标的瞄准、识别与跟踪,光电跟踪系统往往需要其光学系统可连续变焦,并且具有大变倍比、宽波段、光轴一致性高等特性。详细阐述了连续变焦光学系统的基本构造形式、初始结构参数估算等,并在确定了相关技术参数的基础上,设计了一种变倍比为40^(×)的宽波段连续变焦光学系统。设计的连续变焦光学系统全部使用球面镜,易于加工,成像质量较好,各视场MTF值在150 lp/mm处均大于0.2,并且凸轮曲线平滑,无拐点,杂散光控制较好,对系统影响很小。最后通过外景试验测试,该系统光轴一致性小于0.1 mrad,系统的各项性能指标都可满足设备的使用要求,为光电跟踪系统的工程化提供了参考价值。

用于实时数字稳像的灰度投影算法研究

基于灰度投影算法构建了一个实时数字图像稳定系统,阐述了灰度投影算法应用于数字稳像的基本问题.深入分析和研究了算法在稳像系统中的中值滤波、区域选择、参考帧选择等优化问题.该系统的硬件由振动平台、光学镜头、CCD、图像采集卡和计算机构成;软件编程基于DirectShow平台,通过VisualC++实现.通过对稳像试验结果的定量评价与分析表明,该灰度投影稳像算法具有简捷、快速、准确的特征,是实现摄像机实时数字稳像的一种切实可行的方法.

摄像稳定技术

随着光电监视、跟踪、侦察系统使用要求的不断提高 ,对光学图像的稳定要求也日趋严格。图像不稳定的实质是摄像系统的光轴与目标之间有无效的相对运动 ,包括平移和角运动 ,其中相对角运动对图像的影响尤为严重 ,论述了现在采用的两类稳像方法 ,并对新一代的稳像技术——电子学稳像作了概要的介绍 。

电子稳像技术概述

随着电视摄像系统在各领域中的广泛应用，对图像信息的稳定性要求也在不断提高。而图像的不稳定主要是由摄像机载体的运动导致的，因此运动载体上的电视摄像系统需安装稳像系统 电子稳像是新一代的稳像方法，它利用数字信号处理等技术实现实时、高精度地稳定动态图像。本文介绍了电子稳像技术的原理、实现方法、主要算法以及评定其优劣的方法。

基于EWOD的锥形管状结构液体变焦透镜

提出了一种基于介质上电润湿（EWOD）的液体变焦透镜的新结构．它由一个依次覆盖有ITO透明导电薄膜及疏水介质膜的下极板、悬在其上的一个内外壁均覆盖有疏水层的玻璃锥管以及处于两者之间的导电液滴组成．通过改变ITO与液滴之间的电压大小，透镜的曲率及位置能同时被调节，从而实现对透镜焦距的调节．实验结果表明，该器件在0～50V电压下可实现对2cm至无穷远处物体的聚焦．

基于纯位相液晶空间光调制器的可变焦透镜的实现

提出一种基于纯位相液晶空间光调制器(LC-SLM)实现变焦透镜的方法。根据液晶空间光调制器的位相调制原理,以相息图控制LC-SLM来调制入射光波,并衍射产生透镜波面,改变相息图的衍射距离,可实现变焦位相菲涅耳透镜的功能。分析衍射孔径、衍射距离、相息图位相阶数等参数对变焦位相菲涅耳透镜的影响,并以点光源相息图为例对该方法的可行性进行了实验验证。实验结果表明:通过改变计算衍射距离,提出的方法可得到焦距不同的透镜,且易于控制,为三维扫描显示的实现提供了可行性依据。

变焦凸轮曲线的优化设计方法

变焦凸轮是变焦镜头中驱动各个镜组运动的关键部件,凸轮曲线的设计结果决定了变焦系统的运动性能、系统精度以及系统成像等方面的特性,因此,变焦凸轮的设计是变焦距镜头设计中重要环节之一,优良的凸轮性能是实现镜头光学设计像质目标和连续变焦过程的基本要求。为了设计出优良的曲线形态以确保凸轮具有较小的压力角,使变焦过程平滑稳定、运动流畅,既能有效减小变焦系统的驱动力矩,又可以确保变焦成像的稳定性。在凸轮设计过程中,分别构造凸轮变倍组和补偿组驱动力矩与各自压力角的函数表达式,再以它们的函数组合构造整体目标优化函数,优化计算变倍曲线压力角与补偿曲线压力角的最优值,优化计算结果表明,优化后凸轮等效驱动力矩显著减小,能够有效改善变焦凸轮的整体性能。

变焦距镜头凸轮曲线形式的选择

在变焦镜头设计的最后阶段需要进行凸轮曲线的设计,为了平衡成像倍率变化的均匀性与凸轮转角,需要选择合适的凸轮曲线形式,要求建立成像倍率M与凸轮转角θ之间的某种函数关系。根据凸轮曲线所要满足的实际边界条件和函数连续性,建立M与θ几种常见的函数关系,利用Matlab对设计实例进行仿真。结果表明:建立的成像倍率M和凸轮转角θ的幂函数关系及压力升角都不超过允许值时,变倍倍率变化均衡性最好,倍率变化曲线平滑,且无凸轮拐点。该方法可以方便设计人员针对不同设计要求改变凸轮曲线形状,找到最佳变倍凸轮曲线。

基于直线的几何不变性标定摄像机参数

计算机视觉通常采用针孔摄像机模型,但对于存在较大畸变的鱼眼镜头或广角镜头来说,会造成图像中同时存在透视变形和像差畸变。解决此问题的传统方法一般是采用标准网格板来标定摄像机参数,但需要较多的已知信息。为了进行精确的标定,提出了一种新的标定方法,该新方法不需要任何空间3维信息,即可用单幅普通图像来标定摄像机的像差系数及内参数,并可将畸变图像校正到相似变换。为了纠正像差畸变和计算消影点,该方法采用了直线的射影不变性,即共线点的投影仍然共线,平行直线束的投影相交于一点的性质;为了纠正透视变形,还采用了直线的相似不变性,即正交直线的夹角在相似变换中仍然保持正交的性质。用该方法标定的摄像机的参数包括像差系数、焦距、主点和纵横比,同时将图像纠正到了相似变换。用实验室图像和室外图像进行了仿真实验都得到了精确、可靠的结果。

800万像素手机镜头的设计

随着手机市场对高像素手机镜头的需求增大,利用Zemax光学设计软件设计一款大相对孔径800万像素的广角镜头。该镜头由1片非球面玻璃镜片,3片非球面塑料镜片,1片滤光镜片和1片保护玻璃构成。镜头光圈值F为2.45,视场角2ω为68°,焦距为4.25 mm,后工作距离为0.5 mm。采用APTINA公司的MT9E013型号800万像素传感器,最大分辨率为3 264×2 448,最小像素为1.4μm。设计结果显示:各视场的均方根差(RMS)半径小于1.4μm,在奈奎斯特频率1/2处大多数视场的MTF值均大于0.5,畸变小于2%,TV畸变小于0.3%。

线阵相机二维高精度内方位元素标定

针对精密测角算法标定线阵相机内方位元素时仅标定一维方向的主点坐标及畸变,导致该标定算法适应性及精度受限的问题,提出了一种线阵相机二维高精度内方位标定方法。首先,分析了线阵相机内方位元素模型,然后,针对该模型提出了一种基于二维转台的二维标定方法,并给出了详细的标定步骤及数据处理方法,最后,将本文提出方法的标定结果与精密测角算法的标定结果进行了对比,结果表明,本文提出的标定方法的重投影误差为0.34 pixel,相比于精密测角算法的1.25 pixel,显著提高了标定精度,且标定时不需要进行对准、调平等操作,标定过程操作简单。

精密测角法中测量误差对内方位元素标定的影响

通过误差传递推导误差公式,确定了各参数对内方位元素精度的影响关系。为了明确对相机内方位元素精度的影响因素,对像点位置坐标精度和物方视场角精度与相机内方位元素精度的关系进行研究。在现有的精密测角法的基础上,推导关系公式来确定各参数对内方位元素精度的影响关系。对采样点各个数据的精度及其组数对结果精度的影响进行讨论。结果表明:在像点位置坐标标准差1μm内,物方视场角极限误差0.7″内,位置坐标精度对主距f精度影响较大,而物方视场角精度对主点x0精度影响较大;测量数组数(采样点数)量对结果误差有很大的影响。实验证明:该影响与实际结果相符。

投影算法与块匹配法结合的实时数字稳像方法

为了实时地稳定摄像系统的输出视频,特别是图像序列中存在运动物体的视频,提出了一种稳像方法.首先用灰度投影算法对图像序列进行粗匹配;然后用块匹配法在粗匹配的基础上进行精确匹配;最后将两次匹配得到的运动矢量相加得到最后的运动矢量,补偿图像序列的运动.进行匹配的小块是根据参考帧的拉普拉斯变换选取的.对实时稳像实验结果的定量分析和评价表明,该方法切实可行,并具有速度快、精度高的特点.

神光-Ⅲ 3ω光路自动准直系统设计

基于闭环反馈控制理论,对神光-Ⅲ3光源自动准直系统进行设计,分析系统的工作原理、控制算法和软件控制流程。对准直过程中电动控制对于控制结果影响的变化规律建立了数学模型,旨在克服俯仰和方位相互联动对准直精度的影响。采用二维镜架自动准直方案,使准直偏差在预定调整范围内不断收敛。神光-Ⅲ调试现场的准直结果证明:该自动准直系统达到了设计要求,即自动准直系统在半小时内完成8路光束的光束准直,其角度误差≤5.0%/空间滤波器小孔直径,平移误差≤1.0%(光束近场直径精度)。

小型化多视场电视摄像系统光机设计研究

针对目前军用光电搜索跟踪瞄准装置电视摄像系统的搜索范围和作用距离不断提高的需求特点,通过对成熟电视摄像系统的分析比较,明确了采用小型化固定焦距多视场的结构形式。基于该研究方向,提出一种采用嵌入组合式的前物镜组的光机结构设计思路,可实现固定焦距多视场电视摄像系统小型化的设计方案。通过光学设计、光机一体化设计,最终设计完成了一种光学变倍超过20倍、光轴稳定、四视场共用2个成像器件的四视场电视摄像系统,可满足现有军用光电搜索跟踪瞄准装置电视摄像系统的需求。

航空相机的像面旋转特性分析

航空相机利用45°反射镜绕光轴旋转对地物的扫描进行多航迹成像,45°反射镜绕光轴旋转时,物体反射像也将绕光轴进行旋转,造成像面信息无法配准,为此必须采取适当的措施来消除像旋转,保证相机成像质量。从产生像方旋转的原因出发,基于光学反射成像理论,通过实例分析,归纳总结出扫描反射镜、光学成像物镜、折返镜对航空相机像面旋转特性的作用和影响,给出判断像旋转方向的一般方法,并以此为补偿像方旋转的理论依据,提出了一种新型的补偿方法。通过地面试验,获得了完全消除像旋转的图像信息,结果表明:该方法的同步旋转误差造成的最大像移量小于1/3像元,能够获得良好的图像效果而没有模糊,验证了像方旋转理论的正确性,及其补偿方法的可行性和实用性。

基于稳定Harris置信度的三步搜索数字稳像方法

提出一种基于稳定Harris角点置信度的三步搜索法数字稳像方法.采用三步搜索法策略进行运动参量的计算,对三步搜索法结果使用稳定Harris角点置信度进行约束,提升运动参量计算准确度.针对分辨率为320×240存在±40个像素范围内抖动的车载运动视频进行稳像处理,实验结果验证此方法有效可行.

基于水下反恐的微光成像系统

介绍了一种水下反恐微光成像系统,并对其中的关键技术作了论述。根据海水的光学特性及微光成像环境,设计了具有针对性的水下专用镜头,彻底校正像差并消除了水介质的影响。采用大型力学分析软件AN SYS对系统水密舱进行了有限元分析,使系统的结构设计简单可靠。系统成功通过2006年青岛帆船赛的预演测试。试验证明:在300 m的水压下系统稳定可靠,成像质量较高,能对危险物进行及时预警,达到水下反恐的目的。

折反射全景成像系统

折反射全景成像系统能实现大于半球视场的全景成像 ,在视频会议、监视和机器人导航等领域有着广泛的应用。本文介绍了折反射全景成像系统的原理和主要类型 。