1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
变焦系统中，动组间相对位置的变化会导致各镜组的初级像差特性发生变化，环境温度的变化还会导致各焦距位置热差的改变，给无热化连续变焦系统的设计造成较大困难。针对该问题，从光学系统像差模型出发，将变焦系统像差分为定组像差、动组内像差和动组间像差三类，并结合变焦系统的消色差和消热差模型，讨论了无热化连续变焦光学系统的设计原则，及变焦系统设计中各组元的光焦度分配和材料选用方法，给出了一个宽波段连续变焦光学系统设计实例，该系统F数为5、焦距范围为8~120 mm、焦面对角线长6.2 mm、波长范围为0.48~0.68 μm和0.7~0.9 μm。所述系统仅采用了七种普通光学玻璃材料，透镜总数12组16片，总长仅90 mm，在−40~60 ℃范围内，变焦全程均具有较好的成像质量和公差特性。
光学设计 连续变焦 宽波段 无热化 光学透雾 optical design continuous zoom wide band athermal optical dehazing 红外与激光工程
2021, 50(9): 20210090
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
针对现有水下光学系统中存在的主要不足，就某大视场水下连续变焦光系统指标要求，从水下光窗选型、光窗畸变、色差等的影响入手，分析了水下平板光窗引入的相对畸变和倍率色差特性，给出了相应的应对措施。结合水下工况对包络和工作距的要求，给出了一种三组联动的变焦系统设计模型和相应调跟焦组件的设计方法；通过在PNNP型结构中引入像差稳定镜组，对动态像差做稳定和补偿，改善了光学结构的像差校正能力，同时规避了凸轮曲线断点问题；通过在物方侧镜组中设置调跟焦镜组，保证了变焦全程对近景目标的清晰成像。完成了一个4 K水下大视场连续变焦光学系统设计，该系统工作距为0.5 m~inf，设计波段为0.48~0.64 μm，采用3840×2160高灵敏CMOS面阵探测器，像元大小为2 μm，变焦全程F数最大恒定为2.8，可实现全视场5.9°~62°、10倍以上连续变焦功能，具有较短的变焦行程、平滑的变焦轨迹、优良的成像性能等优点。
海洋光学 水下光学 变焦镜头 大变倍比 光学设计 ocean optics underwater optics zoom lens large zoom ratio optical design 红外与激光工程
2021, 50(7): 20200468
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国航空工业集团公司洛阳电光设备研究所, 河南 洛阳 471009
针对常用变焦结构在实现大变倍连续变焦时存在的各类问题, 从变焦系统设计的基本理论出发, 提出了一种可用于大变比光学系统设计的两级串联变倍模型, 给出了相应的变焦方程及凸轮曲线设计的优化控制条件和方法。该模型由两组元连续变焦前组和具有变倍放大功能的二次成像后组串联组成, 通过移动前组中的变倍组与补偿组实现一级变倍; 通过移动补偿组与二次成像组中的二级变倍组, 对前组焦距进行二级放大, 扩大整个成像系统的变倍能力, 同时, 二次成像组还压缩了物镜口径, 保证了冷阑匹配。完成了一个大变比连续变焦光学系统设计, 该系统工作波段为3.7~4.8 μm, 采用640×480制冷型面阵探测器, 像元大小15 μm, F数恒定为4, 可以实现6.5~455 mm、水平视角0.92°~58.2°、达70倍的连续变焦功能, 仅采用了两种材料, 十片透镜, 总长300 mm, 具有优良的成像质量和公差特性。
连续变焦 大变倍比 红外技术 光学设计 zoom lens high zoom ratio infrared technology optical design 红外与激光工程
2017, 46(11): 1104002
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
为解决扩展卡尔曼滤波在处理复杂非线性状态估计时，存在收敛速度慢、估计精度低及数值稳定性差等问题，引入一种改进的平方根容积卡尔曼滤波算法(A-SRCKF)。该算法在容积卡尔曼滤波基础上引入矩阵QR分解、Cholesky分解因数更新等技术，避免了矩阵分解、求逆及求导等复杂运算，极大降低了计算复杂度；并针对系统时变及统计特性未知情况下量测噪声协方差阵难以获取问题，通过引入自适应噪声估计器并结合小波卡尔曼滤波思想，构造出加权量测噪声协方差阵，提高了数值精度及稳定性。将A-SRCKF应用于机载定姿定位系统中，仿真结果表明：该算法有效地提升了估计精度，并且运行速度较快。
平方根容积卡尔曼滤波 非线性滤波 容积规则 数据融合 square root CKF nonlinear filter cubature rule data fusion POS POS
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
常规伺服系统根据电机轴系转动进行模型分析，以轴系所在的基座空间作为参照系。稳定平台的被控量以惯性空间作为参照系，因此不适合用常规伺服系统模型来建模。针对稳定平台的多参照系问题，文章采用以惯性空间作为电机轴系转动参照系的多空间分析模型，并将改进粒子群算法应用于该模型。粒子群算法作为一种群智能算法，广泛应用于参数优化。文中通过惯性权重改进和越界改进，利用改进后的粒子群算法进行稳定平台PID参数的优化和整定。通过仿真和硬件实验平台验证,结果表明：在稳定平台多空间分析模型基础之上，采用改进粒子群算法优化后的PID控制器可以使稳定平台有更高的稳定精度、更好的鲁棒性，有效地隔离了外部的震动和干扰。
稳定平台 粒子群优化 多空间分析模型 光电吊舱 stabilized platform particle swarm optimization multiple reference frame optoelectronic pod
中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
鉴于目前普遍采用软件方法获得大视场视频图像操作不便且实时性受限的缺陷，研究并设计了一种基于FPGA的可编程技术来实现多个摄像头视频数据实时拼接的大视场成像系统。系统通过APTINA公司的彩色CMOS图像传感器MT9M034获取原始视频图像信息，以Xilinx公司的Virtex-5系列FPGA为核心完成视频数据的实时采集、缓存、拼接及传输。图像拼接部分首先对原始图像进行亮度差异自动调节的预处理以提高整体的拼接效果，然后利用相位相关法完成相对平移量信息检测，对原始图像进行配准，最后采用线性加权融合算法对相邻两幅图像的重合区域进行融合处理，使拼接之后的大视场图像达到渐进渐出平滑过渡的效果。实验结果表明，该成像系统简单可靠，有效地增大了可观测视场，经过拼接处理之后的大视场视频图像清晰度高、实时性强，具有一定的代表性和实用性。
大视场成像 实时拼接 相位相关 线性加权融合 FPGA FPGA large field of view imaging real-time mosaic phase correlation linear weighted fusion
1 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
为了实现小型化设备的精密测量，提出了一种共孔径长波红外/激光双模测量方案。根据实际需求完成了光学系统设计，系统中的长波红外成像，激光接收、发射光学系统采用了共型设计，长波红外成像，激光接收系统采用了共用光阑和主光路的结构形式，压缩了整个光学系统体积。设计出的整个光学系统体积为450 mm×164 mm×164 mm，符合小型化、轻量化要求。通过在光学设计软件中的分析可知，该系统中的长波红外光学系统在30 lp/mm处调制传递函数大于0.23，激光发射端波相差小于1/4波长，激光接收端弥散斑半径小于10 μm，满足实际工程设计要求。
光学设计 精密测量 长波红外 激光 光学学报
2015, 35(s1): s122002
中国科学院西安光学精密机械研究所, 西安 710119
红外焦平面阵列各探测元响应的非均匀性降低了图像的质量和温度分辨率，定标类和场景类校正算法为解决该问题提供了可行的途径.传统的基于黑体定标的校正算法由于其简单有效而被广泛使用，但是其缺点在于依赖黑体及其相关控温装置.本文提出了一种改进的基于积分时间定标的两级校正算法.在保持入射辐射不变的情况下，首先通过改变积分时间得到系列响应数据，然后利用最小二乘法估计出两点校正所需的初始校正系数，并对不同积分时间下的响应数据进行初校正，最后估计出一点校正系数.实验结果证明该方法具有计算量小、校正准确度高的优点，可取得优良的校正效果，并易于在硬件平台中实现.
非均匀性校正 积分时间 红外焦平面阵列 最小二乘 Non-uniformity correction Integration time Infrared focal plane arrays Least square
1 中国科学院西安光学精密机械研究所,西安 710119
2 中国科学院大学，北京 100049
基于二元光学元件的相位延迟表达式，推导出谐衍射光学元件在光束斜入射时的相位延迟表达式以及衍射效率表达式，定性分析了谐衍射光学元件衍射效率与光束入射角度的关系.分析表明：在可见光范围内，谐衍射光学元件的谐波长随入射角增大而向长波方向漂移，并且短波部分变化较长波部分更为明显；对于单色光，随着入射角变化，出现不同衍射级次更替现象；对于普通衍射元件，随入射角增大波峰漂移速度远大于谐衍射元件衍射波峰速度；入射角对短波段的衍射效率影响更大.
谐衍射光学元件 入射角 衍射效率 波峰漂移 Harmonic Diffractive Optical Element(HDOE) Incident angle Diffraction efficiency Wave crest drift
1 中国科学院西安光学精密机械研究所, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
彩色数字相机的曝光准确度直接影响了图像的色彩表现及人眼视觉的感受效果。提出了一种基于人眼视觉感观特性的相机自动曝光方法。通过对图像清晰度、色彩饱和度以及亮度等因素的客观评价，建立了曝光估计函数。根据统计原理并结合经验公式，对曝光估计值与曝光步长增量之间的函数关系进行标定，确立了曝光增量函数。根据当前帧图像的不同亮度属性，结合曝光增量函数，实时计算下一帧所需要的理想曝光值。大量实验表明，该方法对于不同场景、不同光照条件下图像的曝光量都有良好的调节效果，稳健性较强并具有较高的调节效率。
图像处理 光学工程 自动曝光 评价函数 亮度 数字相机 光学学报
2013, 33(10): 1011003
