1 苏州大学 光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室 & 教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
为克服现有离轴头戴显示光学系统设计方法不能直接设计全视场全孔径自由曲面反射镜的问题，提出了基于马吕斯定律的自由曲面三维直接设计方法。首先根据马吕斯定律求解自由曲面在全视场和全孔径范围内的所有特征数据点，然后将特征数据点拟合成用多项式表征的自由曲面，直接获得成像质量良好的自由曲面离轴系统初始结构，最后利用评价函数对拟合的多项式系数进行优化，确定最佳拟合系数，生成所需的自由曲面反射镜，得到离轴头戴显示光学系统最终结构。该方法简化了设计流程，计算效率高。基于提出的方法分别设计了单反射面和双反射面的头戴显示光学系统，单反射面系统的出瞳直径为3 mm，视场角19.12°×14.4°；双反射面系统的出瞳直径为8 mm，视场角23°×16°。设计结果表明，用该方法设计的单/双反射面头戴显示系统，其成像质量良好，系统结构紧凑。公差分析表明，引入公差后单/双反射面头戴显示系统最终可实现全视场调制传递函数(MTF)大于0.3 lp/mm和0.35 lp/mm。
光学设计 自由曲面 马吕斯定律 离轴显示系统 optical design freeform surface Marius's law off-axis display system 红外与激光工程
2022, 51(10): 20211119
1 苏州大学 光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室 & 教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
为了提高透镜的散热能力，设计了一种新型全内反射（TIR）透镜，该透镜的出射面中央为自由曲面菲涅耳面。采用斯涅尔定律和全反射定律分别求解TIR透镜折射部分和反射部分自由曲面的面形。同时，采用一种菲涅耳透镜的普适设计方法将折射部分自由曲面转变成菲涅耳面。通过蒙特卡洛光线追迹模拟自由曲面菲涅耳TIR透镜的照明效果，结果显示：当光源尺寸为2 mm×2 mm时，其远场照度均匀性为82%，光效为96.6%，透镜质量为21.94 g。与未加菲涅耳面的TIR透镜相比，带自由曲面菲涅耳面的TIR透镜在光效仅下降2%，在照度均匀性未变的情况下，透镜质量减少了约20%。这说明对TIR透镜的自由曲面出射面进行菲涅耳化可明显地缩小透镜的体积和质量，缩短光线在透镜内部的光程，因此可有效提高透镜的散热效率和使用寿命，同时保持良好的照明效果。
optical design Fresnel TIR lens Snell's law heat dissipation 光学设计 菲涅耳TIR透镜 斯涅尔定律 散热 红外与激光工程
2021, 50(2): 20200183
空军工程大学 航空航天工程学院，陕西 西安 710038
为了有效减弱高动态环境对图像采集的干扰，利用模糊图像的频谱特性，提出了一种适合不同模糊尺度的运动模糊方向估计方法。该方法对比不同模糊尺度图像频谱中心亮条纹边缘特征的差别，通过计算其曲率半径实现不同模糊尺度图像的量化鉴别，在确定图像模糊尺度的大小之后，分别利用倒频谱、二次傅氏变换对模糊图像频谱中心亮线特征进行提取，考虑图像高宽比、中心十字亮线的不利影响，在二值化处理的基础上剔除十字亮线，通过亮线特征点直线拟合完成模糊方向估计。实验结果表明，该算法能够有效鉴别不同模糊尺度的运动模糊方向，估计精度较其他同类算法更高，相对误差率均小于0.02。
运动模糊 方向鉴别 频谱特性 边缘曲率 motion blur direction detection spectrum feature edge curvature
空军工程大学航空航天工程学院, 陕西 西安 710038
为了更加实时、精确地实现小型无人机视觉导航，利用矩形的几何特性以及空间点、线的共面特征，提出了一种基于单目视觉的位姿分步估计方法。该方法在任意位置对空间矩形进行拍摄，通过获取的一对正交消隐点，确立无穷远点在像平面的投影关系，完成姿态估计；利用光心、空间矩形以及其投影的共面性特征建立约束方程，求解空间矩形在摄像机坐标系下的法向量，结合欧氏空间线性变换的不变性，实现摄像机坐标系中矩形4顶点坐标的线性求解，并根据空间点在世界坐标系与摄像机坐标系间的转换关系，完成位置估计。为了抑制图像噪声对位姿估计的影响，建立基于空间点、线共面特征的指标函数，利用NM寻优算法实现对位姿参数的非线性优化。实验结果表明，该算法具有计算精度高、实时性强、适用范围广的优点，设计的优化算法能够有效地抑制图像噪声，提高了位姿估计的稳健性。
机器视觉 位姿估计 矩形几何特性 共面性特征 参数优化
空军工程大学 航空航天工程学院, 陕西 西安 710038
针对现有模糊方向鉴别算法检测小尺度运动模糊图像存在误差的问题, 基于运动模糊图像二次傅里叶变换后的频谱特性, 分析了其误差成因, 并提出了一种适用于小尺度运动模糊图像模糊方向鉴别的新算法。首先对小尺度运动模糊图像的频谱进行细化, 通过中值滤波对细化图像“去噪”, 避开了频谱“噪声”带来的估计误差问题; 其次, 选取灰度中值作为阈值进行二值化, 同时去除二值图像的中心十字亮线和中心亮斑, 使模糊方向特征更加明显; 然后用投影变换计算出亮条纹方向得到小尺度模糊图像的方向估计。最后通过仿真验证了算法在运动模糊尺度为3～10像素的小尺度情况下的实效性。实验结果表明, 该算法相比其他同类算法对于小尺度运动模糊图像的模糊方向估计精度更高。
运动模糊 方向估计 频谱分析 小模糊尺度 motion blur direction estimation spectrum analysis small fuzzy scale
空军工程大学航空航天工程学院, 陕西 西安 710038
利用正交消隐点的几何特性和不同位姿摄像机图像平面中对应消隐点间的无穷单应关系，提出了一种摄像机内参数的自标定方法。该方法在任意两个位置下拍摄两组正交平行线，获取两幅图像上共四个消隐点后，设计了判定算法确定其间的对应情况。利用对应消隐点之间的无穷单应关系，结合正交消隐点与摄像机光心连线的正交性建立约束方程，实现了对摄像机内参数的线性求解。为了抑制噪声对标定结果的影响，建立基于矩形成像反演点特性的指标函数，利用LM 寻优算法实现了对内参数的非线性优化。实验结果表明，该算法具有对应消隐点判断简单有效，标定结果精度高、实时性强、适用范围广的优点，而且参数优化能够有效地抑制图像噪声，提高了标定算法的稳健性。
机器视觉 摄像机自标定 正交消隐点 无穷单应 参数优化 中国激光
2015, 42(12): 1208001
