16主动光学和自适应光学

机器视觉技术发展现状文献综述

机器视觉技术发展现状人类认识外界信息的80%来自于视觉，而机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断，机器视觉的最终目标就是使计算机像人一样，通过视觉观察和理解世界，具有自主适应环境的能力。作为一个新兴学科，同时也是一个交叉学科，取“信息”的人工智能系统，其特点是可提高生产的柔性和自动化程度。目前机器视觉技术已经在很多工业制造领域得到了应用，并逐渐进入我们的日常生活。机器视觉是通过对相关的理论和技术进行研究，从而建立由图像或多维数据中获机器视觉简介机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉主要利用计算机来模拟人的视觉功能，再现于人类视觉有关的某些智能行为，从客观事物的图像中提取信息进行处理，并加以理解，最终用于实际检测和控制。机器视觉是一项综合技术，其包括数字处理、机械工程技术、控制、光源照明技术、光学成像、传感器技术、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术和人机接口技术等，这些技术相互协调才能构成一个完整的工业机器视觉系统[1]。机器视觉强调实用性，要能适应工业现场恶劣的环境，并要有合理的性价比、通用的通讯接口、较高的容错能力和安全性、较强的通用性和可移植性。其更强调的是实时性，要求高速度和高精度，且具有非接触性、实时性、自动化和智能高等优点，有着广泛的应用前景[1]。一个典型的工业机器人视觉应用系统包括光源、光学成像系统、图像捕捉系统、图像采集与数字化模块、智能图像处理与决策模块以及控制执行模块。通过 CCD或CMOS摄像机将被测目标转换为图像信号，然后通过A/D转换成数字信号传送给专用的图像处理系统，并根据像素分布、亮度和颜色等信息，将其转换成数字化信息。图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、数量、位置和长度等，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作[1]。机器视觉一般都包括下面四个过程：

热成像技术原理及其应用

热成像技术原理及其应用(参考) 第一章导言 1 热成像系统技术基础热成像系统能把物体发射的红外辐射(红外光)转变成可见光，从而将人类的视觉由可见光扩大到不可见红外光。人的眼睛不能响应0.4～0.7μm以外的光，要使人眼在夜间看东西象白天一样，使红外转换为可见景物的视觉判读成为可能，需目标相对背景有显著的发射率、温差和与大气窗口相一致的红外辐射传输通道；还需要一种光电器件能响应物体发射出的红外光子。人眼是接受可见光辐射的最好敏感元件：眼睛的光谱响应范围0.4～0.7μm，正好符合太阳光源的输出峰值，这个波段集中了38%的太阳辐射能量，且地球上的物体具有良好的反射度；眼睛是一种理想的可见光波段量子噪声限探测器(量子能级的低噪声)；人眼对非可见红外光有很好的滤波功能。自然可见图像主要是由反射和反射度差产生。相反热像仪对红外光响应所形成的热图像主要是由发射率差产生。目前热像仪工作的三个红外辐射传输的窗口是1μm~3μm，3μm~5μm，8μm~14μm。 2 热成像系统技术发展简述最初的热成像系统是circa温度记录仪(1930)；

1952年美国陆军制成第一台自动温度记录仪(采用双轴扫描和测辐射热探测器，照相胶卷记录图像)，以后10年主要是民用； 1956年美国空军研制了第一台实时FLIR航扫仪(AN/A-AS-3)，后发展改进研制了第一台二维图像的热像仪XA-1(单元扫描)； 1960年Perkin-Elmer公司为陆军研制了地面FLIR(锑化铟、双折射棱镜扫描，5°视场、瞬时视场1mrad、帧频0.2)； 1960～1974由空军和德克萨斯仪器公司及海军和休斯飞机公司分别制定扫描FLIR研制计划，研制完成60多种FLIR，产品几百件（试用于对北越轰炸）；到90年代初扫描型热像仪发展至顶盛，美国发展了采用64元、120元、180元制冷MTC探测器的热成像通用组件(以色列120元，英国32元和8条SPRITE探测器)同期世界上生产了约10万台热像仪(1代)；80-90年代美国的标准组件计划是第一代红外热像仪（扫描型）发展的标志性事件。九十年代末美国、法国（SOFRADIR）、英国、以色列相继研制并批量生产了非制冷焦平面探测器、制冷焦平面探测器，至此引发了一场热成像技术的革命，进入了2代热成像技术发展阶段。2000年，美国和法国的焦平面红外探测器产业化，这是第二代红外热像仪（凝视型）发展的标志性事件。2015年，低成本非制冷红外探测器产业化。 3 热成像系统工作原理基本内容辐射理论和目标识别目标辐射的大气传输热像仪指标体系高效的红外光学系统探测器及其工作条件(制冷、真空)

自由空间光通信的现状与发展趋势

自由空间光通信的现状与发展趋势自由空间光通信的现状与发展趋势（一） 1 前言 20世纪90年代后期，随着全光接入网的发展，人们对传输速率的要求越来越高；随着通信范围的延伸，人们对快捷通信链路建立的兴趣进一步提高。自由空间光通信技术因其具有独到的优势，在固定无线宽带技术中，能为宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案，又得到了极大的关注。其应用范围已从军用和航天逐渐迈入民用领域，其技术本身也在不断的完善中。自由空间光通信可在以下一些范围发挥重要作用。1）可以作为光纤通信和微波通信冗余链路的备份；2）可以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传；3）应用于城域网的建设以及最后一公里接入；4）在技术上或经济上不宜敷设光缆的地区，在不宜采用或限制使用无线电通信的地方；5）在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合6）在企业内部网互连和数据传输。 2 自由空间光通信的基本原理及其特点

自由空间光通信系统（FSO）是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。系统所用的基本技术是光电转换。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜，将光信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用850nm或1550nm的工作波长。同时考虑到1500nm的光波对于雾有更强的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波长的FSO系统具有更广阔的使用前景。自由空间光通信与微波技术相比，它具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点；与有线和光纤通信相比，它具有机动灵活、对市政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点。自由空间光通信可以在一定程度弥补光纤和微波的不足。它的容量与光纤相近，但价格却低得多。它可以直接架设在屋顶，由空中传送。既不需申请频率执照，也没有敷设管道挖掘马路的问题。使用点对点的系统，在确定发收两点之间视线不受阻挡的通道之后，一般可在数小时之内安装完

空间激光通信研究现状及发展趋势

空间激光通信研究现状及发展趋势前言：在即将到来的信息时代，构建信息传播速率快、信息传输量大、覆盖空间广阔的通信网络是很重要的。空间激光通信技术正是构建符合未来社会发展需求的通信网络的重要技术支持之一。我国的各大高校和科学研究机构都有对这一方面展开研究，比如武汉大学的静态激光通信、华中科技大学的对潜激光通信、中科院成都光电所的自适应激光通信、中电集团34所的大气静态激光通信等。空间激光通信的应用，有助于构建一体化的通信网络，对于我国发展具有深远的影响。一、空间激光通信的技术特点 1.1光波频率高空间激光通信就是利用激光进行信号传输的通信技术[1]。激光的频率比微波高出三到四个数量级。这就导致以激光为载波进行通信，能够利用的频带更加宽广，在短时间内传输大量的数据。在地球科学研究、环境灾害监测、军事信息获取等领域，经常需要在一段时间内实现海量数据的传输，空间激光通信就可以有效实现这一点。 1.2光波波长短空间激光通信所运用的光波具有极短的波长。光波的波长决定了发射天线的口径。如果光波的波长较短，发射天线的口径也

会比较小，这样，激光在发射过程中就会相对集中，不容易发生分散，同时消耗的功率也比以往的微波发射低，节省更多的能源。不仅仅是发射天线，接收终端的型号也与光波的波长长短有关。利用短波长的光波进行信息传输，接收终端的体积、重量也可以相应缩小，同时消耗更低的能源。这种性质使得空间激光通信能够搭配多种通信平台，适用范围极为广阔。 1.3方向性强空间激光通信发射的激光光束很窄，指向明确，能够直达目的地，很少发生散射[2]。以往的微波通信，光束宽，指向性不明显，容易发生散射和折射，影响通信的效果，导致通信不稳定。空间激光通信就将这一问题进行极大程度的改善。另外，空间激光通信还具有防窃听的能力，在传输过程中不容易被外界窃取信息，在保证了通信的稳定性的同时，也保证了通信的保密性。 1.4波段远离电磁波谱如果通信光波的波段距离电磁波谱较近，就容易在传输的过程中受到电磁波谱的干扰。所以，空间激光通信采取远离电磁波谱的光波波段。在机场、战争区域等环境中，电磁波谱的干扰极为严重，只有利用空间激光通信才能够确保信息的顺利传输。二、空间激光通信的关键技术 2.1激光调制发射技术激光调制发射技术具有高功率和高速率的特点。这种技术的主要组成部件有激光器、驱动器、温度控制、功率控制、光放大

光学系统的象差

象差：试剂光学系统所成的象和近轴光学系统所成德象的差异。光学系统对单色光成象时产生单色象差，分为五类：球面象差（球差），慧形象差（慧差），象散差（象散），象面弯曲（场曲），畸变。对白光成象时，光学系统除对白光中的各单色光成分有单色象差外，还产生两种色差：轴向色差和垂轴色差（亦称倍率色差）。球差使得影像中心成柔焦状，没有最清晰点出现；慧差使得影像周围成柔焦状，没有最清晰点出现；像散使得影像周围径向和切向焦点分离，不能同时和焦；像面弯曲使得影像叫平面呈弯曲状，使得中心和边缘不能同时和焦；畸变使得影像变形，周围直线变成曲线；置色差使得影像中心光点变成色环；倍率色差使得影像景物边缘轮廓带有色边；渐晕使得影像中心亮度高与边缘；杂光使得影像减低反差和饱和度，逆光容易产生灰雾和幻影。球差[1]（Spherical aberration）亦称球面像差。轴上物点发出的光束，经光学系统以后，与光轴夹不同角度的光线交光轴于不同位置，因此，在像面上形成一个圆形弥散斑，这就是球差。对于单色光而言，球差是轴上点成像时唯一存在的像差。轴外点成像时，存在许多种像差，球差只是其中的一种。除特殊情况外，一般而言，单个球面透镜不能校正球差，正透镜产生负球差，负透镜产生正球差。对一定位置的物点而言,当保持透镜的孔径和焦距不变时,球差的大小随透镜的形状而异。因此，以适当形状的正、负透镜组合成的双透镜组或双胶合镜组是可能消球差的一种简单结构。保持透镜的焦距不变而改变透镜形状，犹如把柔软的物体弯来弯去,故被称为透镜的整体弯曲,它是光学设计时校正像差的一种重要技巧。 1、单正透镜在后时，需要为了减少给前续系统校正球差带来的困难，因此一般需要将折射率选择片大一些，增大折射率对于校正系统高级球差是很有效的方法之一； 2、在胶合镜组的胶合马面两边，需要考虑选择折射率和阿贝数差别较大的玻璃对，在消色差的同时，正负球差也能够尽量减少，并且有可能产生剩球差平衡其他镜组的球差； 3、在某些镜组（例如单片）曲率太小，承担的光焦度较多。曲率太小的不利结果是：引起大量高级球差和其他高级像差。可以考虑采用两个透镜分担其光焦度，这样增大了球面半径，减少了许多的高级球差。 4、适当的采用负透镜。如果系统中正透镜太多，那么造成的球差和场曲、畸变无法消除，在最后增加一块负透镜会起到很好的校正效果。当然这些手段有可能造成其他像差的增加，因此这些方法需要适当的因地制宜的采用。慧差由位于主轴外的某一轴外物点，向光学系统发出的单色圆锥形光束，经该光学系统折射后，若在理想平面处不能结成清晰点，而是结成拖着明亮尾巴的彗星形光斑，则此光学系统的成像误差成为彗差。彗差属轴外点的单色像差。轴外物点以大孔径光束成像时，发出的光束通过透镜后，不再相交一点，则一光点的像便会得到一逗点状，型如彗星，故称“彗差”。慧差是垂轴象差，慧差与光阑位置有关，当光阑无限小是可以消除慧差。把两个弯月型透镜凹面相对，并在中间设置关阑，当物象倍率为-1时，从光阑所在空间来看，透镜L1的上、下光线分别与透镜L2下、上光线相同，因而两透镜产生相反符号的慧差值，可以完全相消。场曲法，胶合透镜，光阑可以用来减小慧差。

自适应光学技术

自适应光学技术姜文汉中国工程院院士,中国科学院光电技术研究所,成都610209 关键词自适应光学波前探测波前控制波前校正高分辨力成像激光核聚变人眼视网膜动态光学波前误差是困扰光学界几百年的老问题,自适应光学技术提供了解决这一难题的途径。自适应光学通过对动态波前误差的实时探测控制校正,使光学系统能够自动克服外界扰动,保持系统良好性能。本文在说明自适应光学技术的基本原理后,介绍由中国科学院光电技术研究所研制的三套自适应光学系统及其使用结果:1.2m 望远镜天体目标自适应光学系统, 神光I 激光核聚变波前校正系统和人眼视网膜高分辨力成像系统。 1自适应光学自动校正光学波前误差的技术从1608年利普赛(L i ppers hey)发明光学望远镜, 1609年伽里略(G alileo)第一次用望远镜观察天体以来已经过去了近400年了,望远镜大大提高了人类观察遥远目标的能力,但是望远镜发明后不久,人们就发现大气湍流的动态干扰对光学观测有影响。大气湍流的动态扰动会使大口径望远镜所观测到的星像不断抖动而且不断改变成像光斑的形状。1704年牛顿(I.N e w ton) 在他写的《光学》[1]一书中,就已经描述了大气湍流使像斑模糊和抖动的现象,他认为没有什么办法来克服这一现象,他说: 唯一的良方是寻找宁静的大气,云层之上的高山之巅也许能找到这样的大气。天文学家们以极大的努力寻找大气特别宁静的观测站址。但即使在地球上最好的观测站,大气湍流仍然是一个制约观测分辨率的重要因素。无论多大口径的光学望远镜通过大气进行观察时,因受限于大气湍流,其分辨力并不比0.1~ 0.2m的望远镜高。从望远镜发明到20世纪50年代的 350来年中,天文学家和光学家像谈论天气一样谈论大气湍流,而且还创造了Seei ng这个名词来描述大气湍流造成星像模糊和抖动的现象,但是对Seei ng的影响还是无能为力。图1是有无波前误差时点光源成像光斑的比较。图1(a)是没有波前误差时的光斑,由于光学系统口径的衍射,没有波前误差时的衍射极限光斑由一个中心光斑和一系列逐渐减弱的同心环组成,称为艾利(A ir y)斑。对圆形口径,83.4%的光能集中在中心斑内,其直径为 2.44 D , 为光学波长,D为光学系统口径。图1(b)给出存在 0.56波长(均方根)波前误差时,点光源成像的光斑三维图,光斑显著扩散。对于大气湍流这样的动态干扰,扩展的光斑将不断改变形状,并且成像位置不断漂移。图1 波前误差对成像光斑能分布的影响 (a)没有波前误差时圆形孔径产生的衍射光斑, (b)当波前误差均方根值为 0.56波长时的弥散光斑 1953年美国天文学家Babcock发表了论补偿天文 Seei ng的可能性 [2]的论文,第一次提出用闭环校正波前误差的方法来补偿天文Seeing。他建议在焦面上用旋转刀口切割星像,用析像管探测刀口形成的光瞳像来测量接收到的光波波前畸变,得到的信号反馈到一个电子枪,电子轰击艾多福(E idopher)光阀上的一层油膜,使油膜改变厚度来补偿经其反射的接收光波的相位(图 2)。这一设想当时并未实现,但用测量控制校正的 7

热成像仪原理

热成像仪原理热成像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。热像仪的应用非常广泛，只要有温度差异的地方都有应用。比如：在建筑领域，检查空鼓、缺陷、瓷砖脱落、受潮、热桥等；在消防领域可以查找火源，判定事故的起因，查找烟雾中的受伤者；公安系统可以找夜间藏匿的人；汽车生产领域可以检测轮胎的行走性能、空调发热丝、发动机、排气喉等性能；医学可以检测针灸效果、早期发现鼻咽癌、乳腺癌等疾病；电力检查电线、连接处、快关闸、变电柜等。热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。任何有温度的物体都会发出红外线，热像仪就是接收物体发出的红外线，通过有颜色的图片来显示被测量物表面的温度分布，根据温度的微小差异来找出温度的异常点，从而起到与维护的作用。一般也称作红外热像仪。一．热像仪的发展热像仪在最早是因为军事目的而得以开发，近年来迅速向民用工业领域扩展。自二十世纪70年代，欧美一些发达国家先后开始使用热像仪在各个领域进行探索。热像仪也经过几十年的发展，已经发展成非常轻便的现场测试设备。由于测试往往产生的温度场差异不大和现场环境复杂等因素，好的热像仪必须具备160*120像素、分辨率小于0.1℃、空间分辨率小、具备红外图像和可见光图像合成功能等。热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。二．热像仪的品牌作为世界最先进的高科技产品，热像仪的知名品牌主要集中在美国。近年来，我国在热像仪领域也取得了巨大进步，但是在技术上相对美国还有一定差距，相信国内品牌再经过几年的发展，一定能够和美国品牌抗衡。热像仪的品牌非常多，客户在选择时，有点无从下手，在选择热像仪时，建议选择大品牌的热像仪。 2012年4月，美国知名的Thermal infrared imager TIMES,发布了2011年全球热像仪品牌排名，美国RNO连续5年荣登销量榜首，其PC160G热像仪更是以40%的市场份额连续8年荣登单品销量冠军。在选择时，可以根据这个排名，进行参考选择。同时选择适合自己的型号。 1. 美国RNO RNO公司于1940年成立于美国芝加哥，是全球历史最为悠久的热像仪生产企业，在二战中，RNO热像仪曾广泛应用美国军方。经过70年的发展，RNO下设了美国RNO热像仪公司，美俄合资RNO夜视仪公司。RNO是全球最为专业的热像仪公司，其下属的RNO夜视仪，在3,4代高端夜视仪领域拥有极大的知名度。

光谱仪的发展历史与现状

光谱仪的发展历史与现状【摘要】光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质量控制等方面发挥了重要作用。本文主要从光谱仪原理、光谱仪基本特性、发展历程、重要发明（UVS、AAS）以及未来展望等几个方面进行简要的阐述。【关键词】光谱仪原理、基本特性、发展历程、UVS、AAS 1.光谱仪基本原理光谱仪器是进行光谱研究和物质结构分析，利用光学色散原理及现代先进电子技术设计的光电仪器。它的基本作用是测量被研究光（所研究物质反射、吸收、散射或受激发的荧光等）的光谱特性，包括波长、强度等谱线特征[1]。因此，光谱仪器应具有以下功能：（1）分光：把被研究光按一定波长或波数的发布规律在一定空间分开。（2）感光：将光信号转换成易于测量的电信号，相应测量出各波长光的强度，得到光能量按波长的发布规律。（3）绘谱线图：把分开的光波及其强度按波长或波数的发布规律记录保存或显示对应光谱图。要具备上述功能，一般光谱仪器都可分成四部分组成:光源和照明系统，分光系统，探测接收系统和传输存储显示系统。根据光谱仪器的工作原理可以分成两大类：一类是基于空间色散和干涉分光的经典光谱仪；另一类是基于调制原理分光的新型光谱仪。

经典光谱仪结构图光源和照明系统可以是研究的对象，也可以作为研究的工具照射被研究的物质。一般来说，在研究物质的发射光谱如气体火焰、交直流电弧以及电火花等激发试样时，光源就是研究的对象；而在研究吸收光谱、拉曼光谱或荧光光谱时，光源则作为照明工具（如汞灯、红外干燥灯、乌灯、氙灯、LED、激光器等等）。为了尽可能多地会聚光源照射的光强度，并传递给后面的分光系统，就需要专门设计照明系统[2]。分光系统是任何光谱仪的核心部分，它一般是由准直系统、色散系统、成像系统三部分组成，主要作用是将照射来的光在一定空间按照一定波长规律分开。如图2-1所示，准直系统一般由入射狭缝和准直物镜组成，入射狭缝位于准直物镜的焦平面上。光源和照明系统发出的光通过狭缝照射到准直物镜，变成平行光束投射到色散系统上。色散系统的作用是将入射的单束复合光分解为多束单色光。多束单色光经过成像物镜按照波长的顺序成像在透镜焦平面上；这样，单束的复合光经过分光系统后成功变成了多束单色光的像。目前主要的色散系统主要有物质色散（如棱镜）、多缝衍射（如光栅）和多光束干涉（如干涉仪）探测接收系统的作用是将成像系统焦平面上接收的光谱能量转换成易于测量的电信号，并测量出对应光谱组成部分的波长和强度，从而获得被研究物质的特性参数如物质的组成成分及其含量以及物质的温度、星体的运动速度等等。目前光谱仪器的接收系统可以分为目视系统、摄谱系统和光电系统。经典光谱仪器根据设计需要可以选择其中一种，但干涉调制光谱仪器只能采用光电接收系统。传输存储显示系统是将探测接收系统测量出来的电信号经过初步处理后存储或通过高速传输接口上传给上位机，在上位机上对光谱数据进行进一步数据处理及显示等。 2.光谱仪基本特性光谱仪器的基本特性主要包括：工作光谱围、色散率、分辨率、光强度以及工作效率等五个方面。（1）工作光谱围指使用光谱仪器所能记录的光谱围。它主要决定于仪器中光学零件的光谱透

光学系统像差理论综合实验.doc

第五节光学系统像差实验一、引言如果成像系统是理想光学系统 , 则同一物点发出的所有光线通过系统以后 , 应该聚焦在理想像面上的同一点 , 且高度同理想像高一致。但实际光学系统成像不可能完全符合理想 , 物点光线通过光学系统后在像空间形成具有复杂几何结构的像散光束 , 该像散光束的位置和结构通常用几何像差来描述。二、实验目的掌握各种几何像差产生的条件及其基本规律，观察各种像差现象。三、基本原理光学系统所成实际像与理想像的差异称为像差，只有在近轴区且以单色光所成像之像才是完善的（此时视场趋近于 0，孔径趋近于 0）。但实际的光学系统均需对有一定大小的物体以一定的宽光束进行成像，故此时的像已不具备理想成像的条件及特性，即像并不完善。可见，像差是由球面本身的特性所决定的，即使透镜的折射率非常均匀，球面加工的非常完美，像差仍会存在。几何像差主要有七种：球差、彗差、像散、场曲、畸变、位置色差及倍率色差。前五种为单色像差，后二种为色差。 1.球差轴上点发出的同心光束经光学系统后，不再是同心光束，不同入射高度的光线交光轴于不同位置，相对近轴像点（理想像点）有不同程度的偏离，这种偏离称为轴向球差，简称球差（ L ）。如图1-1所示。图 1-1 轴上点球差 2．慧差彗差是轴外像差之一，它体现的是轴外物点发出的宽光束经系统成像后的失对称情况，彗差既与孔径相关又与视场相关。若系统存在较大彗差，则将导致轴外像点成为彗星状的弥散斑，影响轴外像点的清晰程度。如图1-2 所示。

图1-2 慧差 3.像散像散用偏离光轴较大的物点发出的邻近主光线的细光束经光学系统后，其子午焦线与弧矢焦线间的轴向距离表示： x ts x t x s 式中， x t , x s分别表示子午焦线至理想像面的距离及弧矢焦线会得到不同形状的物至理想像面的距离，如图1-3 所示。图1-3 像散当系统存在像散时，不同的像面位置会得到不同形状的物点像。若光学系统对直线成像，由于像散的存在其成像质量与直线的方向有关。例如，若直线在子午面内其子午像是弥散的，而弧矢像是清晰的；若直线在弧矢面内，其弧矢像是弥散的而子午像是清晰的；若直线既不在子午面内也不在弧矢面内，则其子午像和弧矢像均不清晰，故而影响轴外像点的成像清晰度。 4.场曲使垂直光轴的物平面成曲面像的象差称为场曲。如图1-4 所示。子午细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光束的子午场曲；弧矢细光束的交点沿光轴方向到高斯像面的距离称为细光束的弧矢场曲。而且即使像散消失了（即子午像面与弧矢像面相重合），则场曲依旧存在（像面是弯曲的）。场曲是视场的函数，随着视场的变化而变化。当系统存在较大场曲时，就不

大视场凝视型红外共形光学系统设计_姜洋

第41卷第6期红外与激光工程2012年6月Vol.41No.6Infrared and Laser Engineering Jun.2012 大视场凝视型红外共形光学系统设计姜洋1,2，孙强1，孙金霞3，刘英1，李淳1，王健1，杨乐1,2 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033； 2.中国科学院研究生院，北京100049； 3.中国空空导弹研究院，河南洛阳471009) 摘要：为提高导弹整流罩气动性能，增强导引头系统稳定性，增大观察视场，完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合，通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题，最终获得±90°的无渐晕观察视场，其冷光阑效率为100%，全视场MTF在15lp/mm处均大于0.5，点斑均方根半径小于30μm，在半径为50μm 圆内能量集中度为93%以上，像面相对照度高于85%，满足大视场光学系统的成像要求。关键词：光学系统设计；共形光学；红外成像制导；鱼眼镜头中图分类号：TN216文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)06-1575-06 Design of infrared staring conformal optical system with wide field of view Jiang Yang1,2,Sun Qiang1,Sun Jinxia3,Liu Ying1,Li Chun1,Wang Jian1,Yang Le1,2 (1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China; 3.China Airborne Missile Academy,Luoyang471009,China) Abstract:In order to optimize the aerodynamic performance of missile domes,enhance the stability and enlarge the FOV,an infrared staring imaging seeker combining the conformal dome and infrared fisheye lens was designed.The solution used an ellipsoidal conformal dome,inverted telephoto lens and f-θlens.Uniform illumination was realized through managing the imaging angle and pupil aberrations.Aberration characteristics of conformal dome were analyzed.The pupil aberrations at large FOV were solved.An optical system with±90°unvignetted FOR,100%cold stop efficient was designed.The MTF is higher than0.5at the spatial frequency of15lp/mm across the entire field.The RMS radiuses of spot diagram are less than 30μm;the geometric encircled energy is above93%in50μm range;the relative illumination is above85% at margin FOV.The specifications can meet the requirements of the wide field systems. Key words:optical system design;conformal optics;infrared imaging guidance;fisheye lens 收稿日期：2011-10-05；修订日期：2011-12-03 基金项目：国家自然科学基金(60977001)；国家863计划(2007AA122110) 作者简介：姜洋(1984-)，男，博士生，主要从事光学系统设计等方面的研究。Email:le_zhi@https://www.360docs.net/doc/794220137.html, 导师简介：孙强(1971-)，男，研究员,博士生导师，博士，主要从事现代红外光学仪器、二元光学、红外系统仿真等方面的研究。 Email:sunq@https://www.360docs.net/doc/794220137.html,

基于模型辨识的自适应光学系统控制技术研究

基于模型辨识的自适应光学系统控制技术研究自适应光学技术能够实时补偿光在传输过程中由传输介质引起的随机波前畸变,进而被广泛应用天文观测、空间目标观测和激光传输等系统。近年来,随着相关理论和技术的不断发展,自适应光学技术在光通信、医学成像、激光加工等众多领域取得了进一步的应用。波前控制作为自适应光学系统的关键技术之一,直接影响自适应光学系统的波前校正性能。目前,大多数自适应光学系统采用的算法是简单且易于实现的比例积分控制,但是其控制参数调节多依赖人为经验,且控制性能和稳定性难以兼顾。虽然有很多自适应光学控制的算法被提出,如鲁棒控制、预测控制、最优控制等,但大多数局限于理论仿真和实验室研究,离实际应用还存在一定距离,少部分算法实际应用又具有局限性。目前,随着自适应光学应用领域的拓展和对控制性能要求的不断提高,控制算法难以满足实际需求。因此,为了解决自适应光学系统的控制难题,本文提出采用线性二次高斯控制方法。首先,针对线性二次高斯控制需要精度较高的被控对象系统模型问题,本文根据自适应光学系统实际工作情况,提出了基于变量带误差模型的子空间辨识方法。利用自适应光学系统的输入与输出数据,建立了自适应光学系统的状态空间模型。仿真结果表明了所建立的自适应光学系统的状态空间模型准确度高,具有较强的噪声抑制能力和鲁棒性。且该方法还可为其它模型类控制算法提供一种模型基础。其次,本文以自适应光学系统的状态空间辨识模型为基础,采用采用基于状态调节的线性二次高斯控制技术。以最小化残余波前作为线性二次型性能指标,

通过最小化二次型性能指标,确定反馈控制规律的增益。根据入射波前的泽尼克多项式扩展形式和变形镜以及波前传感器的线性关系来定义自适应光学系统的状态向量。而针对自适应光学系统的初始状态未知问题,本文利用卡尔曼滤波器和卡尔曼滤波状态对自适应光学系统的状态向量作线性估计。通过求解状态估计和卡尔曼滤波器增益,以及最小化求解二次型性能指标得到的状态调节增益,可以实现自适应光学系统的线性二次高斯闭环控制。数值仿真验证了线性二次高斯控制的可行性和波前校正能力。然后,通过静态波前和动态波前校正实验来验证了线性二次高斯控制的波前校正能力,实验结果与数值仿真结果保持一致,证明了线性二次高斯控制的可行性与有效性。实验结果表明了线性二次高斯控制校正后的各项性能指标都要优于比例积分控制。而且在自适应光学系统的响应速度、光斑抖动的抑制以及系统的稳定性与鲁棒性等方面,线性二次高斯控制表现较为出色。最后,本文通过实验研究了系统噪声和高斯白噪声对自适应光学系统线性二次高斯控制波前像差校正效果的影响。实验结果表明了采用系统近似噪声作为测量噪声的线性二次高斯控制其波前校正效果提升明显。这也从另一方面表明了系统噪声对线性二次高斯控制影响显著,若能准确获取自适应光学系统的噪声统计模型,将有望进一步提高线性二次高斯控制在自适应光学系统的波前像差校正能力。

浅析智能光学发展现状

龙源期刊网 https://www.360docs.net/doc/794220137.html, 浅析智能光学发展现状作者：梁宇宏来源：《科技资讯》2017年第31期摘要：现代光学研究有朝着宏观/微观双向发展的趋势，随着光学技术应用领域的不断扩展，传统的，以“静态系统”为主的光学技术已难以适应科学研究的新需求。由此智能光学应运而生，其是基于传统光学技术提供的一个全新概念，其技术基础主要依赖于自适应光学和主动光学技术。本文从智能光学的概念出发，对智能光学技术（智能光学系统、动态光学调制技术、动态光学探测技术等）进行评述。同时，基于智能光学技术的特点，对智能光学发展现状进行探究。关键词：智能光学自适应及主动光学动态光学调制动态光学探测及发展现状中图分类号：O43 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）11（a）-0228-02 智能光学（Smart Optics or Intelligent Optics），是传统光学与现代计算机系统相结合的产物。智能光学集新材料、计算机信息、电子、紧密加工等现代技术于一体，极大地扩展了传统光学系统应用领域。智能光学以自适应光学和主动光学技术为基础，与微电子学、信息光学、光电子学等学科领域有着紧密的联系——智能光学与相关学科相互促进、共同发展。 1 智能光学的概念国外科学家（Greenaway）将智能光学定义为能够实现动态调整的光学技术和组件。智能光学是一项不断发展的概念，其最初是建立在自适应光学和主动光学上的一项技术——以反射光学组件为主要设备进行波前相位的动态调制。这里将对自适应光学和主动光学进行简单介绍。 1.1 自适应光学在介绍自适应光学技术前，先对“大气湍流”的概念进行简单介绍。大气湍流实质上是大气中的一种运动形式，由于大气湍流的存在，大气中的水气、热量、动量以及污染物的水平和垂直交换作用得到了极大地增强，而这种运动强度增大趋势远大于分子运动强度的程度。我们知道，大气属于光波的传输媒介之一，光波在大气当中传播时，由于受到大气湍流的影响，进而产生波前畸变（波前在经过传输介质传输后发生了变化）。自适应光学技术应用旨在补偿因大气湍流或其他因素导致的波前畸变。当前，自适应光学主要在智能光学中起到利用变形镜实现高速、小幅波前调制的重要作用。 1.2 主动光学

红外热成像基本原理概论

红外热成像仪基本原理与发展前景概论光电1201 王知权 120150111 前言红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统（目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统）接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构（焦平面热像仪无此机构）对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。原理红外线是一种电磁波，具有与无线电波和可见光一样的本质。红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃。利用某种特殊的电子装置将物体表面的温度分布转换成人眼可见的图像，并以不同颜色显示物体表面温度分布的技术称之为红外热成像技术，这种电子装置称为红外热像仪。这种热像图与物体表面的热分布场相对应；实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实标校正，伪色彩描绘等高线和直方进行数学运算、打印等。红外成像系统简介红外技术是一门研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。任何物体的红外辐射包括介于可见光与微波之间的电磁波段。通常人们又把红外辐射称为红外光、红外线。实际上其波段是指其波长约在0.75μm到1000μm 的电磁波。通常人们将其划分为近、中、远红外三部分。近红外指波长为 0.75-3.0μm；中红外指波长为3.0-20μm；远红外则指波长为20-1000μm。由于大气对红外辐射的吸收，只留下三个重要的“窗口”区，即1-3μm、3-5μm 和8-13μm可让红外辐射通过。红外探测器是红外技术的核心，它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应来探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互最用所呈现出的电学效应。红外探测器主要分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。其中，光子探测器按原理啊可分为光电导探测器、光伏探测器、光电磁探测器和量子阱探测器。光子探测器的材料有PbS,PbSe,InSb,HgCdTe(MCT),GaAs/InGaAs等，其中HgCdTe和InSb斗需要在低温下才能工作。光子探测器按其工作温度又可分为制

机器视觉技术发展现状文献地的综述

机器视觉技术发展现状文献地的综述一、机器视觉简介机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉主要利用计算机来模拟人的视觉功能，再现于人类视觉有关的某些智能行为，从客观事物的图像中提取信息进行处理，并加以理解，最终用于实际检测和控制。机器视觉是一项综合技术，其包括数字处理、机械工程技术、控制、光源照明技术、光学成像、传感器技术、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术和人机接口技术等，这些技术相互协调才能构成一个完整的工业机器视觉系统[[]郭静，罗华，张涛、机器视觉与应用[J]、电子科技，全文结束》》,27(7)： 185-188] o机器视觉强调实用性，要能适应工业现场恶劣的环境，并要有合理的性价比、通用的通讯接口、较高的容错能力和安全性、较强的通用性和可移植性。其更强调的是实时性，要求高速度和高精度，且具有非接触性、实时性、自动化和智能高等优点，有着广泛的应用前景[l]o一个典型的工业机器人视觉应用系统包括光源、光学成像系统、图像捕捉系统、图像采集与数字化模块、智能图像处理与决策模块以及控制执行模块。通过CCD或CMOS摄像机将被测目标转换为图像信号，然后通过A/D 转换成数字信号传送给专用的图像处理系统，并根据像素分布、亮度和颜色等信息，将其转换成数字化信息。图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特

征，如面积、数量、位置和长度等，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作［1］。机器视觉一般都包括下面四个过程：二、机器视觉的发展历史机器视觉是在20世纪50年代从统计模式识别开始，当时的工作主要集中在二维图像分析、识别和理解上。从20世纪70年代才真正开始发展，并涌现出了主动视觉理论框架、基于感知特征群岛物体识别理论框架等新的概念、方法及理论。Marr视觉计算机理论是视觉研究迄今较为完善的理论，其使视觉研究有了一个较为明确的体系［［］曹国斌，刘雪娇，王华.图像和机器视觉技术概述［J］、电子工业专用设备，全文结束》》（8）：27-31?］o Marr视觉理论从计算视觉理论出发，将立体视觉分为自上而下的三个阶段，即早期的二维视觉数据获取、中期的要素处理和后期三维信息的形成和表达。经历这单个阶段即可完成二维到三维的转换工作、图2 Marr理论框架的三个阶段早期阶段的“要素图” （primarysketch）是由二维图像中的点、直线、曲线和纹理等特征组成，早期阶段的处理是从图像中获取这些特征。中期阶段的处理是处理特征要素的位置和相互关系，从而完成对物体的识别、运动分析和形状恢复等操作，该阶段处理的结果仅仅是对空间场景的二维半描述。如若要完成对空间场景的真正三维描述，还需第三阶段的后期视觉处理，将物体自身坐标统一到一个世界坐标系中［3］。作为立体视觉的基础理论，Marr理论具有极其重要的指导作用，但肋仃理论自身有缺陷，如单向性（视觉处理只能从前至后处理）、被动性（视觉处理只能是给什么图像处理

大视场离轴三反光学系统设计

14红外2017年8月文章编号：1672-8785(2017)08-0014-05 大视场离轴三反光学系统设计罗秦以3张冬冬1钮新华^ (1.中国科学院上海技术物理研究所，h海200083 ; 2.中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海200Q83; 3.中国科学院大学，北京100〇49) 摘要：针对地球环境j s感的大视场和宽光谱的应用需求，在同轴三反学系统的基础上，通过视场离轴实现了无中心遮拦，并设计了一种焦距为12〇m m、F数为3.5、工作波长为〇,4?I.65啤、像元尺寸为7.5 n m以及采用C o o k三片式结构的光学系统。在没有使用自由曲面的情况下，实现了 30°x4°的大视场.其中，主镜为六次双曲面，次镜为二次扁椭圆面，三镜为四次扁椭圆面。在全视场范围内，该系统在奈奎斯特频率处的调制传递菡数（Modulation Transfer Rm etion,M T I?)大于0,6，接近翁_射极限。:其藝散斑崖径的均方根值小于探_器的像元尺寸，畸变小于2.5%，说明本文系统具有优良的成像性能》关键词：光学设计；大视场；离轴三反光学系统中图分类号：TH703 文献标志码：A DOI:10.3969/j.issn.l672-8785.2017.08.003 Optical Design of OfF-axis Three-mirror System with Wide Field LUO Qin ZHANG Dong-dong x,NIU Xin-hua 1 (1. Shanghai Institute of Technical Physicsf Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 2. Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) Abstract: To meet the application needs of wide field and wide spectrum of earth environment remote sensing, a center without obstructing is realized by means of field off-axis on the basis of coaxial three- mirror optical systems. An optical system with a Cook three-mirror structure is designed. The optical system has its focal length of 120 mm, F number of 3.5, operating wavelength of 0.4 to 1.65 \xm and pixel size of 7.5 |j.m. it realizes the 30° x 4° large field of view without any free-form surfaces. In the optical system, the primary mirror is a 6 times hyperboloid; the second mirror is a secondary flat ellipse and the third mirror is a 4 times flat ellipse. The system has its Modulation Transfer Function (MTF) greater than 0.6 at the Nyquist freaquency in the whole field of view, which is close to the diffraction limit. Its RMS dispersion spot diameter is less than the pixel size of the detector and its distortion is less than 2.5%. These results show that the system has excellent imaging performance. Key words: optical design; wide field; ofF-axis three-mirror system 收稿日期：2017-03-19 作者简介：罗秦（1992-)，男，江西抚州人，硕士研究生，主要从事光学系统设计方面的研究。 E-mail: luoqin888@https://www.360docs.net/doc/794220137.html, I nfrared(monthly)/V ol.38, No.8, A ug 2017https://www.360docs.net/doc/794220137.html,/hw