基于光线轨迹跟踪,提出一类内表面保形、外表面修正,且双侧窗口对称的异形面光学窗口设计方法,设计了异形面光学窗口。搭建异形面光学窗口实验系统,研究了通过光学窗口观测到的流场图像畸变特性及其修正方法,提出了二阶多项式成像畸变的修正模型,并对畸变图像进行修正。结果表明:平行光经过异形面光学窗口后有明显的偏折,导致亮度分布不均匀,存在亮带和暗斑;同时,使棋盘格标定板的图像发生平移、缩放和旋转,不同位置处的畸变特征不同。构建畸变图像修正模型,对畸变图像进行修正,修正后的图像与原图像基本重合,各角点坐标差值小于1 pixel(7.4 μm),说明修正模型具有较高的精度。异形面光学窗口的设计及修正模型的发展有助于获得精确的内转式进气道异形曲面的流道内部流场结构和流动特性。

建立了用数字微镜器件(DMD)作为显示器件的目标模拟系统,对成像畸变进行了研究。进行系统总体设计,利用几何光学计算了DMD不同姿态方位引起的物空间深度及变形量,确定了最佳姿态。针对DMD装调问题,利用光学软件对系统进行仿真,建立了畸变检测模板和算法,分析DMD姿态角的装调误差可知,0.3°俯仰角或方位角偏差引入的畸变约为1.3%。最后在设计和仿真结果的指导下,完成了系统实验光路的建立,实验结果表明,系统最大视场的平均畸变为0.385%。

分别采用单、双透镜系统研制短磁聚焦变像管,并利用Lorentz 3D-EM软件模拟电子运动成像,研究其成像畸变。当成像比例为1∶1、阴极电压为-3 kV时,模拟得到单、双透镜系统的空间分辨率分别为17.07 lp/mm和24.49 lp/mm;在离轴6 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为1.43%和0.98%;在离轴为12 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为7.5%和2.5%。实验结果表明:在离轴6 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为2.4%和0.9%;在离轴12 mm处,单、双透镜系统的成像畸变率分别为8.5%和3.2%。研究表明,采用双磁透镜成像系统有助于改善成像畸变,提高空间分辨率。

针对风洞内视觉测量视场较大, 测量物体较近以及图像畸变过大等导致的标定精度低, 标定物成本高等问题, 提出了一种基于复合式靶标分区域分约束近景大视场相机标定方法。该方法利用一维标定架与二维标定平面构造的复合式靶标充满测量视场将测量视场划分区域, 针对不同参照物信息采用分约束的方式完成整个视场的分区域准确标定, 重建时针对感兴趣特征所处图像不同区域选取不同像机内外参数与畸变系数进行3D重建, 完成基于复合式靶标的三维信息求取。最后, 针对所提出的标定方法进行了标定精度对比以及验证实验。实验结果表明: 内区域标定均方根误差为0.165, 外区域标定均方根误差为0.276, 标定精度高, 满足了测量精度要求。

结合透视投影模型、非参数化的光学畸变模型以及光束平差算法，提出并实现了一种标定显微立体视觉系统光路的方法。首先，通过光刻方法制作了用于显微立体视觉系统标定的标定参考物，并利用待标定系统采集标定参考物不同方位的图像。然后，基于非参数化的光学畸变模型，采用样条曲面计算得到显微立体视觉系统的畸变校正场，并结合透视投影模型建立显微立体视觉系统的完整成像模型。最后，利用光束平差算法对所建立的成像模型进行标定计算和优化调整。搭建了显微立体视觉小尺度测量装置，验证了提出的标定方法的可行性。通过标定获得了测量装置两个光路的焦距和相对方位等参数，并借助于高精度四轴位移台对标定结果进行了精度验证。结果表明，采用本文方法标定后位移测量的精度优于1%，能够满足微胀形实验中三维变形测量的要求。该标定方法也可用于其他显微视觉检测领域。