昼夜型全景监控光学系统设计
这是一篇关于光学系统设计,全景环带,大视场,IR红外技术,图像复原的论文, 主要内容为随着安防监控行业的迅速发展,能实现大范围观测的全景监控镜头得到人们的青睐。在几种主流的全景成像技术中,全景环带光学成像技术由于实时性好、集成度高、结构紧凑等特点而具有广阔的市场应用前景。除此之外,还希望监控镜头具备全天候工作能力,故考虑应用IR红外技术,即监控工作波段从可见光成像延伸至近红外波段。本文对昼夜型全景监控光学系统设计展开研究,研究工作主要体现在以下几个方面:(1)研究平面圆柱投影原理,将其应用于全景环带光学成像系统设计。在光学系统设计时,将整个光学结构分为全景头部单元和中继透镜组单元两部分,其中全景头部单元完成全视场目标搜索,中继透镜组单元将头部单元所成的中间虚像进行二次成像,最终会聚到探测器上,并承担校正部分像差的作用。(2)全景环带光学系统设计时,首先实现可见光波段的环带成像。分析系统参数对初级像差影响的权重,控制影响像散、畸变严重的某些面的曲率半径变化范围,进行优化后保证初级成像质量。利用ZEMAX的多重组态功能添加近红外波段,实现双波段像面共焦,完成整体结构的优化。(3)为了更好地体现偶次非球面在光学系统设计中的作用,将其应用到头部单元的设计中。并将优化设计结果与全球面头部单元进行比对,发现采用非球面设计的头部单元具有更好地成像质量,并可有效减小中继透镜组校正像差的压力。(4)结合像差理论,对整个光学系统进行综合像质评价和公差分析,确保设计的光学系统满足成像质量要求,确定了光学系统的公差容限。(5)针对环形像不便于人眼观察的特性,对环形图像复原技术展开研究。利用MATLAB软件对实验室现有的环带图像进行图像展开处理。结合二维图像映射展开算法,将环形像无失真的展开为笛卡尔坐标系下的矩形像。展开过程中需融合图像插值处理,针对图像特性方可实现环带图像的有效复原。本论文设计的昼夜型全景监控光学系统的视场角为360°×(40°～100°),焦距为-2.75mm,F数为3.28,光学总长为60.13mm。系统的MTF值在截止频率处大于0.4,弥散斑半径小于所选探测器一个像元尺寸,畸变小于2%,昼夜离焦量约为0.002mm,满足系统设计使用要求。
准直式太阳模拟器光学系统设计及辐照特性研究
这是一篇关于太阳模拟器,光学系统设计,自由曲面,辐照不均匀度的论文, 主要内容为太阳模拟器是一种重要的航天器模拟试验、测试和标定的设备。已广泛应用于航空、航天、国防、气象等领域。由于成像关系的影响以及聚光系统和匀光系统参数的相互制约,太阳模拟器的辐照均匀性难以提高,无法满足当前高均匀辐照模拟的需求,严重制约了相关行业的发展。因此,本文针对传统太阳模拟器存在辐照均匀性不高的问题,开展基于自由曲面聚光的太阳模拟器光学系统的设计与研究,解决了聚光系统第二焦面高斯能量分布导致积分器入射面辐照均匀性差的问题,实现了太阳模拟器高辐照均匀性的效果,论文的研究结果为提升太阳模拟技术的发展起到了积极的作用,也为相关领域的工程应用带来了新的思路。通过分析国内外太阳模拟器的研究现状,总结了太阳模拟器的发展趋势和存在的主要问题。叙述了非成像光学理论中的能量传输效率、边光原理、光学扩展量以及太阳模拟器的分类和相关标准。基于太阳辐射模拟技术和非成像光学理论,提出了一种准直式太阳模拟器光学系统的设计方案。该系统由光源、自由曲面聚光镜、光学积分器和准直物镜等组成,阐述了系统的总体布局和工作原理,明确了系统的设计指标要求。为了实现高辐照均匀性的太阳辐照模拟,对光源进行了设计,保证了辐照度不小于一个太阳常数;着重研究了自由曲面聚光镜的设计和优化,建立了一种适用氙灯光源的自由曲面聚光镜模型,改善了聚光系统第二焦面上的辐照分布,提高了光学积分器入射端面上的辐照均匀度;通过对现有匀光系统的比较分析,设计了一种37通道的光学积分器,实现了光束的高均匀性,提高了太阳模拟器的辐照均匀度;依据设计指标要求,设计了口径为?180mm的准直物镜和孔径为?37.7mm的视场光阑,保证了辐照面尺寸和输出光束的平行度。利用Light Tools软件对准直式太阳模拟器光学系统进行了建模、仿真分析以及辐照特性研究,结果表明:使用自由曲面聚光镜的太阳模拟器的辐照不均匀度较使用椭球聚光镜的太阳模拟器的辐照不均匀度显著下降,辐照面?50mm内辐照不均匀度优于?0.32%,辐照面?100mm内辐照不均匀度优于?0.53%。通过误差仿真分析,依据现有自由曲面加工与检测水平,验证了所设计的自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。同时,分别仿真分析了氙灯、光学积分器以及准直物镜装调过程中的误差对太阳模拟器辐照度和辐照不均匀度的影响,为后续的太阳模拟器装调误差分配提供了理论依据。
基于曲面多探头大视场内窥镜设计研究
这是一篇关于光学系统设计,内窥镜,大视场,复眼透镜,转像系统的论文, 主要内容为内窥镜目前在医学科研与临床实践中是最基本、最广泛的观察工具之一,使用内窥镜成像对病灶的诊断和辅助治疗有极其重要的作用。但是现有的内窥镜系统存在成像范围小致使手术视野易受限问题,限制了医师对病变的准确诊断。内窥镜光学系统的设计需求是在体积小、质量轻的同时有更大的视场。而曲面复眼系统具有视场大、结构紧凑等特点,正好满足内窥镜光学系统的需求。为此本文提出将曲面复眼系统作为内窥镜光学系统部分,以实现内窥镜大视场成像为目标,设计了一款曲面多探头大视场内窥镜光学系统。具体研究内容如下:(1)建立了光学成像原理模型。分析了探头排布方式及探头视场角与相邻探头光轴间夹角的关系,建立视场拼接数学模型,再通过所建立的数学模型,分析径向及总探头数量;提出了通过设计转像系统将曲面复眼所成的曲面像转换为可以被平面探测器接收的平面像,同时该系统能够对光学系统的像差进行有效校正。(2)确定了内窥镜光学系统的总体设计指标,并根据成像原理模型计算了相关参数。采用分模块化设计方法,依据光瞳匹配原则,分别对探头、转像系统及整体光学结构进行优化。并对整个光学系统进行综合像质评价和公差分析,确保设计的光学系统满足成像质量要求,确定了光学系统的公差容限。(3)根据所设计内窥镜光学成像特点,对图像拼接算法进行研究。选择SIFT算法进行特征点提取,选择渐入渐出融合算法进行图像融合。搭建成像实验平台获得多个视场下的图像,并对具有重叠区域的图像进行拼接实验,验证了算法的有效性。本文设计的内窥镜光学系统视场角为135°,光学系统总长为28mm。光学系统设计结果在166lp/mm处,各视场的MTF均高于0.5,各视场下的点列图均方根半径均较小且集中,系统像质好。公差分析结果表明,该设计具有较好的鲁棒性,满足加工要求。相对于传统的内窥镜光学系统,其成像范围更大,该设计结果在内窥镜测试领域具有广阔的应用前景。
昼夜型全景监控光学系统设计
这是一篇关于光学系统设计,全景环带,大视场,IR红外技术,图像复原的论文, 主要内容为随着安防监控行业的迅速发展,能实现大范围观测的全景监控镜头得到人们的青睐。在几种主流的全景成像技术中,全景环带光学成像技术由于实时性好、集成度高、结构紧凑等特点而具有广阔的市场应用前景。除此之外,还希望监控镜头具备全天候工作能力,故考虑应用IR红外技术,即监控工作波段从可见光成像延伸至近红外波段。本文对昼夜型全景监控光学系统设计展开研究,研究工作主要体现在以下几个方面:(1)研究平面圆柱投影原理,将其应用于全景环带光学成像系统设计。在光学系统设计时,将整个光学结构分为全景头部单元和中继透镜组单元两部分,其中全景头部单元完成全视场目标搜索,中继透镜组单元将头部单元所成的中间虚像进行二次成像,最终会聚到探测器上,并承担校正部分像差的作用。(2)全景环带光学系统设计时,首先实现可见光波段的环带成像。分析系统参数对初级像差影响的权重,控制影响像散、畸变严重的某些面的曲率半径变化范围,进行优化后保证初级成像质量。利用ZEMAX的多重组态功能添加近红外波段,实现双波段像面共焦,完成整体结构的优化。(3)为了更好地体现偶次非球面在光学系统设计中的作用,将其应用到头部单元的设计中。并将优化设计结果与全球面头部单元进行比对,发现采用非球面设计的头部单元具有更好地成像质量,并可有效减小中继透镜组校正像差的压力。(4)结合像差理论,对整个光学系统进行综合像质评价和公差分析,确保设计的光学系统满足成像质量要求,确定了光学系统的公差容限。(5)针对环形像不便于人眼观察的特性,对环形图像复原技术展开研究。利用MATLAB软件对实验室现有的环带图像进行图像展开处理。结合二维图像映射展开算法,将环形像无失真的展开为笛卡尔坐标系下的矩形像。展开过程中需融合图像插值处理,针对图像特性方可实现环带图像的有效复原。本论文设计的昼夜型全景监控光学系统的视场角为360°×(40°～100°),焦距为-2.75mm,F数为3.28,光学总长为60.13mm。系统的MTF值在截止频率处大于0.4,弥散斑半径小于所选探测器一个像元尺寸,畸变小于2%,昼夜离焦量约为0.002mm,满足系统设计使用要求。
准直式太阳模拟器光学系统设计及辐照特性研究
这是一篇关于太阳模拟器,光学系统设计,自由曲面,辐照不均匀度的论文, 主要内容为太阳模拟器是一种重要的航天器模拟试验、测试和标定的设备。已广泛应用于航空、航天、国防、气象等领域。由于成像关系的影响以及聚光系统和匀光系统参数的相互制约,太阳模拟器的辐照均匀性难以提高,无法满足当前高均匀辐照模拟的需求,严重制约了相关行业的发展。因此,本文针对传统太阳模拟器存在辐照均匀性不高的问题,开展基于自由曲面聚光的太阳模拟器光学系统的设计与研究,解决了聚光系统第二焦面高斯能量分布导致积分器入射面辐照均匀性差的问题,实现了太阳模拟器高辐照均匀性的效果,论文的研究结果为提升太阳模拟技术的发展起到了积极的作用,也为相关领域的工程应用带来了新的思路。通过分析国内外太阳模拟器的研究现状,总结了太阳模拟器的发展趋势和存在的主要问题。叙述了非成像光学理论中的能量传输效率、边光原理、光学扩展量以及太阳模拟器的分类和相关标准。基于太阳辐射模拟技术和非成像光学理论,提出了一种准直式太阳模拟器光学系统的设计方案。该系统由光源、自由曲面聚光镜、光学积分器和准直物镜等组成,阐述了系统的总体布局和工作原理,明确了系统的设计指标要求。为了实现高辐照均匀性的太阳辐照模拟,对光源进行了设计,保证了辐照度不小于一个太阳常数;着重研究了自由曲面聚光镜的设计和优化,建立了一种适用氙灯光源的自由曲面聚光镜模型,改善了聚光系统第二焦面上的辐照分布,提高了光学积分器入射端面上的辐照均匀度;通过对现有匀光系统的比较分析,设计了一种37通道的光学积分器,实现了光束的高均匀性,提高了太阳模拟器的辐照均匀度;依据设计指标要求,设计了口径为?180mm的准直物镜和孔径为?37.7mm的视场光阑,保证了辐照面尺寸和输出光束的平行度。利用Light Tools软件对准直式太阳模拟器光学系统进行了建模、仿真分析以及辐照特性研究,结果表明:使用自由曲面聚光镜的太阳模拟器的辐照不均匀度较使用椭球聚光镜的太阳模拟器的辐照不均匀度显著下降,辐照面?50mm内辐照不均匀度优于?0.32%,辐照面?100mm内辐照不均匀度优于?0.53%。通过误差仿真分析,依据现有自由曲面加工与检测水平,验证了所设计的自由曲面聚光镜加工、检测与装调的可行性。同时,分别仿真分析了氙灯、光学积分器以及准直物镜装调过程中的误差对太阳模拟器辐照度和辐照不均匀度的影响,为后续的太阳模拟器装调误差分配提供了理论依据。
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