1 南通大学 机械工程学院，江苏 南通 226019
2 西安交通大学 电子与信息学部，陕西 西安 710049
3 南京华群光电技术有限公司，江苏 南京 210000
4 中国科学院西安光学精密机械研究所，陕西 西安 710119
针对目前的红外成像光学系统在机器视觉工业检测领域难以同时实现成像质量好和结构紧凑设计的问题，提出了一种宽光谱可见-短波红外成像光学系统的设计方法。运用光学设计软件ZEMAX设计了一种适用于可见光和短波红外的红外成像光学系统。该系统由7组10片透镜组成，利用多组双胶合透镜来消色差，在第15个面使用非球面提高成像质量，最后对系统的成像质量进行研究。设计结果表明：该系统的的工作波长为0.4~1.7 μm，全长为79.6 mm，F数为2.8，焦距为25.7 mm，畸变小于1.4%，调制传递函数值在奈奎斯特频率100 lp/mm处均大于0.4 ，接近衍射极限，成像质量良好。该系统可以对光滑表面的装配件进行缺陷检测，具有结构简单、易于加工装调的优点，有助于高效地完成机器视觉检测。
宽谱段 光学设计 可见光成像 红外成像 机器视觉 broad spectrum optical design visible light imaging infrared imaging machine vision 红外与激光工程
2023, 52(4): 20220638
Author Affiliations
Abstract
Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China
We propose a novel small-angle measuring optical method based on the astigmatic effect of two orthogonally placed cylindrical lenses. According to the one-to-one correspondence between the laser spot shape and the angle, the angle is determined. We theoretically analyze the measuring range and demonstrate that a longer distance between the rotating axis and the optical axis leads to a smaller measuring range, but better sensitivity. Also, an associated experimental system is established and a measuring range of 0.94 mrad (cubic fit r=0.9993) as well as a good linear range of 0.37 mrad (linear fit r=0.9994) with a resolution of 8 μrad is achieved.
080.0080 Geometric optics 120.0120 Instrumentation, measurement, and metrology 120.3940 Metrology 120.4640 Optical instruments Chinese Optics Letters
2016, 14(3): 030801
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 中国科学院大学，北京 100049
围绕氟化镁共形整流罩的热障效应展开分析，模拟了真实飞行状态，建立了整流罩气动加热及其内部传热过程的有限元分析模型，计算不同飞行速度下整流罩的气动热载荷及平均温度；再根据红外探测基本原理，分析各个温度下整流罩的热辐射及其对探测系统成像质量的影响，计算探测器达到饱和状态时整流罩的临界温度，即研究热障效应产生机制；最后用成像试验对分析结果加以验证。分析结果表明，对于该红外成像探测系统，氟化镁共形整流罩的临界温度约为460 K，即在Ma=3的末制导阶段及Ma=4的情形下，热障效应显著，若想进一步加快红外成像制导**的飞行速度，必须对热障效应加以抑制和校正。各项结论对认识热障效应机理及其校正方法有一定借鉴意义。
共形光学 氟化镁 整流罩 热障效应 conformal optics magnesium-fluoride dome thermal barrier 红外与激光工程
2016, 45(2): 0220001
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 中国科学院大学，北京100039
3 西南技术物理研究所，四川 成都 610041
为了提高红外导引头的跟踪精度，降低导气管对导引头控制系统的影响，提出一种新型可变增益扰动观测器。首先，利用搭建的导引头实验系统研究了导气管干扰的扰动特性。然后，在分析导气管扰动的系统特性基础之上，结合经典扰动观测器理论，设计了新型可变增益扰动观测器，并分析了其鲁棒稳定性。最后，针对某实际红外导引头系统，设计了可变增益扰动观测器，并进行了导气管扰动抑制实验。结果表明: 经典扰动观测器无法对导气管的扰动进行有效的抑制，而采用可变增益扰动观测器后，系统速度阶跃响应稳定精度提高71.1%; 位置阶跃响应稳定精度提高42.8%。研究表明可变增益扰动观测器可以有效地抑制红外导引头中的导气管扰动。
红外导引头 导气管扰动 扰动观测器 变增益 扰动补偿 IR seeker gas tube disturbance disturbance observer variable gain disturbance compensation 光学 精密工程
2015, 23(10): 2887
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 中国科学院大学, 北京 100049
针对湍流退化图像随机性的问题, 提出了一种基于随机点扩散函数的多帧湍流退化图像自适应复原方法。首先介绍了随机点扩散函数的图像退化模型, 并分析了点扩散函数随机性对图像复原造成的影响, 建立了基于随机点扩散函数的多帧图像退化模型。在此基础上, 建立了基于多帧退化图像的全变分复原模型, 利用前向后向算子分裂法对模型进行求解, 提高了算法的运算效率。然后, 提出了一种新的自适应正则化参数选取方法, 该方法利用全变分复原模型的目标函数计算正则化参数, 当正则化参数收敛时, 复原图像的峰值信噪比达到最大值, 因此利用目标函数的相对差值作为自适应算法迭代终止的条件, 可以获得最佳复原效果。最后通过实验分析, 算法中退化图像的帧数应不大于10帧。实验结果表明: 当取10帧退化图像时, AFBS算法运算时间与单帧的FBS算法相当, 信噪比增益为1.4 dB。本文算法对图像噪声有明显的抑制作用, 对湍流退化图像可以获得较好的复原效果。
图像复原 自适应正则化 随机点扩散函数 多帧模型 前向后向分裂算子 湍流退化图像 image restoration adaptive regularization stochastic point spread function multi-frame model forward-backward splitting turbulence-degraded image
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 中国科学院大学, 北京 100049
针对多模制导中长焦距红外光学系统结构紧凑及宽温度范围热稳定性的要求, 设计了一种中波红外折反光学系统。该系统根据其它模式制导的要求, 采用固定焦距和口径的主镜, 通过二次成像,在保持长焦距的同时减小了透镜的口径,降低了到达中继成像系统主光线的高度, 同时也降低了制造成本。设计了波长为37~48 μm、焦距f为300 mm、F数为2的中波红外成像系统。结果表明, 该系统结构紧凑像质优良, 各视场光学传递函数均大于06, 接近衍射极限, 并且在-50~70 ℃可实现光学被动消热差。针对该光学系统进行了公差分析并提出了抑制杂散辐射的方法, 该系统满足实际加工和应用需求。
红外光学系统 折反系统 无热化 infrared system catadioptric system athermalization
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 中国科学院大学, 北京 100049
针对红外搜索及跟踪系统中折反式光学系统结构复杂，装调困难及成本高的问题，采用了一种一体式折反结构的透镜。在单片透镜的前后表面进行分区域加工，分别镀上内反射膜和增透膜，形成两个反射面和两个透射面，构成折反一体式透镜。将整个光学系统集成在一片透镜上，降低了系统的复杂度和装调难度，提高了系统的稳定性和可靠性。设计了适用于中波红外的紧凑型成像光学系统，远射比达0.62，结果表明该系统像质优良；各视场光学传递函数均大于0.55，接近衍射极限，并且利用二元衍射光学元件在-40 ℃~60 ℃实现光学被动消热差；最后利用单点金刚石车床加工出的样机在不同温度下进行成像实验，结果表明在不离焦的情况下，各温度下成像清晰，满足实际加工和应用需求。
光学设计 R-C 系统 衍射光学 消热差 非球面
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 中国科学院大学,北京100039
3 西南技术物理研究所,四川 成都 610041
提出了一种角增量的生成及优化方法,用于解决滚仰式导引头跟踪回路角增量指令的提取问题。介绍了一种滚仰式导引头结构组成及其工作原理;根据脱靶量信息和探测器焦距给出了滚转和俯仰框架的位置回路角增量;将角增量标定为以两框架零位为起点的绝对角位置指令,其中,俯仰框的角位置指令标定区为［0, π/2］,滚转框的角位置指令标定区为［0,2π)。依据减小滚转框角增量的原则,将导引头滚转框的当前框架角在［0,2π)内均分成4个象限,在不同的当前框架角范围内给出了相应的角增量优化策略。最后,设计了角增量优化指令的半实物实验以验证方法的可行性。实验结果表明：文中提出的指令提取和优化方法可以实现对目标的跟踪,跟踪误差为0.149 4°。
滚仰式导引头 跟踪回路 角增量 脱靶量 稳定平台 roll-pitch seeker tracking loop angle increment target deviation stabilized platform 光学 精密工程
2014, 22(10): 2787
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 中国科学院大学, 北京 200049
飞行器在大气层中超音速飞行时，被气动加热的光学整流罩产生强的红外辐射，降低了红外目标的跟踪识别能力。分析了共形光学系统整流罩热噪声的产生机理，利用红外黑体，对320 K~460 K的整流罩热噪声进行了测试。利用二元非线性回归分析法确定了二次曲面作为噪声修正模型，其曲面拟合的决定系数均值达到0.8683。在整流罩温度从460 K下降至320 K的过程中，对1 K温差的靶条成像，图像信噪比均值为7.2 dB。利用噪声修正模型对图像进行噪声修正后，图像信噪比均值提高至13.7 dB，使红外图像信噪比提高了6.5 dB。该结果为导引头目标识别跟踪系统的设计和光学系统的优化提供了部分依据。
光学设计 共形光学 热辐射 光学头罩 红外噪声 曲面拟合 光学学报
2014, 34(10): 1022001
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 中国科学院大学, 北京100039
传统红外图像增强方法由于未考虑人眼视觉特性而存在"超区间值", 故极易丢失图像细节。本文结合对数图像处理(LIP)理论, 提出了基于参数化对数模型(PLIP)的平台直方图均衡图像增强方法。该方法首先将图像变换为灰度色调函数; 然后应用PLIP模型对变换后的图像进行重建, 结合平台直方图均衡化来增强图像的对比度和细节信息, 并利用图像评价函数( EMEE)与信息熵(En)确定模型的参数值。最后, 研制了算法硬件平台, 分别用中波和长波红外成像系统对算法进行了实验验证。实验结果显示: 该方法对不同场景的图像均可取得很好的增强效果, 图像的EMEE值比传统的平台直方图均衡算法提高至少5倍以上, 对改善图像质量和视觉效果具有实用价值。
成像系统 红外图像 图像增强 图像评价 对数图像处理模型 直方图均衡 imaging system infrared image image enhancement image evaluation logarithmic image processing model histogram equalization
