非成像光学（精选7篇）
非成像光学 篇1
摘要：随着社会市场经济和科学技术的飞速发展, 极大的推动了我国半导体产业的繁荣, 促使社会的很多领域广泛的应用半导体, 其促使灯光照明的效果得到的较大的提高, 取得了较好的应用效果。现阶段, 市场上比较常见的一种半导体照明光源是LED, 其具有很多的优势, 能够使很多使用户的需求得到较好的满足, 对光学产业的发展具有较大的带动作用。现本文就对LED光源的使用现状进行介绍, 然后在此基础上对半导体照明中的非成像光学和其的应用水平进行分析, 仅供交流借鉴。
关键词：半导体照明,非成像光学,应用,特点
在科学技术逐渐发展的推动下, LED光源的设计得到了较好的优化, 极大的增多了LED光源所具有的性能, 而通过对LED器件进行封装处理之后, 革新了其原有的亮度, 比传统的效果要好很多。 同时LED光源有利于最大化的资源利用和最小的能源消耗, 其所具有的一个显著的特点是寿命长。 因此, 在半导体照明的发展过程中, 技术人员需要加强对非成像官学的研究, 从而使光学实践的可靠性得到较大的提升, 有利于照明效果的提高。 只有非成像光学原理得到明确, 半导体照明的亮度效果才能得到较大的提高。
1 LED光源所具有的特点
1.1 照明光源的种类比较齐全。 现阶段, 使照明光源的种类得到了较大丰富, 在市场上比较常见的照明光源的种类包括路灯、室外景观照明灯和多种要求的照明灯等。 立足于不同的使用标准, 技术人员可以进行光强分布情况的布置工工作, 以此同时照明, 在光学性能指标的基础上使使用要求得以提出, 有利于其的使用范围的逐渐扩大。 通过对照明光源的硬性指标要求, 在一定程度上促使照明效果得到较大的提高, 但是在LED照明光源中, 需要合理布置光的分布, 加之光分布情况无法得到性能标准的有效控制, 所以, 需要立足于垂直分布要求的基础上, 对LED芯片进行合理的使用。 可以通过图1 所示, 能够更好的了解光源分布情况。
1.2 LED照明光源的发出光线特点。通过对LED照明光源的具体使用情况来看, LED所发出的光线会在屏幕上显示不同的强度, 这些强度会随着夹角的增大而逐渐的减弱, 这说明LED照明光源的灵活性比较强, 对于不同环境对LED照明光源使用需求得到较好的满足。 因此, 技术人员需要立足于光学系统原理与不同场所的使用需求进行有效的结合, 从而实现LED照明光源的合理布置。LED照明光源所发出的光线大随着夹角的变化而发生改变, 这种光学问题属于非成像光学范畴的一个内容。 在此基础上, 技术人员需要对光学分布进行合理布置, 促使其在光学系统管理的基础上使LED照明光源的照明效果得到较大提高, 进而使用户的不同需求得到较好的满足。
2 半导体照明中的非成像光学
2.1 非成像光学的设计要点。 在对半导体照明光学设计进行不断优化和改良之后, 传统光学系统所具有的缺点已经完全被摒弃了, 如今的半导体照明系统中的非成像光学在对待能量的利用效率是更加重视的, 而传统光学系统还一直在目标平面上停留, 非成像光学在优化改良中也将其看成重点的涉及对象。 在这个基础上, 光线的发出始点是会从非成像光学系统中经过的, 从而显示屏幕上会有特定的光强度模式以及特定的位置形成, 这样会让非成像照明效果更直观的被人们所了解。 因此在非成像光学的实际使用中, 使用者应该给出特定的范围, 同时技术人员还要依据实际的需求要求对照明特定值进行设置, 这样能让非成像光学使用的更加稳定协调, 外界环境因素也不会对其有所改变, 照明强度也不会受到影响。
2.2 非成像光学照明案例。 为了更加全面的展现出非成像照明的优秀特质, 本文以阅读室为例, 研究非成像照明的优势, 在阅读室中, 由于读者需要长时间阅读, 视觉神经会非常疲劳, 如果设置出柔和的光线, 就会有效缓解视力疲劳。 要求阅读灯必须要一个统一的平面上, 其照明的强度不能低于特定值, 例如:300h, 并设置出合理的LED照明环境, 只有这样才能, 才能体现出非成像光学照明的先进性。 在使用时, 非成像光学照明会在屏幕上形成一个最大边沿的暗点, 这就说明光照强度已经达到了一定的上限, 这种情况下, 对阅读者的眼睛就是最好的保护状态。 在给定的照明区域中, 也存在光照轻度不断变化的情况, 所以需要利用非成像光学系统对LED广场进行控制, 使光照区域可以均匀照明, 并确保区域外没有或存在一少部分光照, 这就是LED光源节约能源的一种体现。 技术人员对发光角的控制和设计, 也是光源优化的一个重要部分, 按照非成像光学系统的控制要求, 需要合理设置发光线与轴线的发光角, 进而满足光源保护视觉的标准。
2.3 分布给定光。 对于光线耦合问题应重点关注的就是收集光的问题, 而在非成像光学理论发展过程以及相关问题的研究上, 特别是照明领域中应用到非成像光学之后, 相关技术人员研究的重点就是怎样去按需非配光能和各种给定光的精确设计, 在照明学系统中这是比较重要的。 要是从光源尺寸角度来看, 可以将给定光分布这一问题给分成两种形式, 即面向点光源设计问题意见面向扩展光源设计问题。 其中点光源给照度的分布本身就属于非成像光学研究领域, 也就是可以抽象出数学模型以及求解出微粉方程等光学问题。 扩展光源的难度是比较大的, 直到现在还没有讲数学模型给真正求解出来。 另外, 还可以依据设计维度进行分类, 这样也能讲给定光的分布问题给分成两种, 即二维设计问题以及三维自由设计问题。 对于LED光源, 由于其芯片尺寸小 (目前功率型芯片的典型尺寸为1mm×1mm, 小功率芯片的尺寸更小) , 在很多情况下忽略其尺寸对光学设计的影响, 因此研究非成像光学中点光源给定光分布问题具有很重要的实用意义。
3 结论
综上所述, LED光源是一种常见的半导体照明设备, 因为其具有较好的使用效果和性能, 因此在社会的各个领域发展过程中得到了广泛的应用, 并取得了显著的效果。 人们在日常生活过程中, 节能光源的使用力度需要加强, 不仅能够使电能得到较大的节约, 同时还能够保护用户的视觉。 良好的控制非成像光学, 能够对线和轴线的夹角度数进行合理的控制, 从而使光线呈现均匀的状态, 提高了照明的效果。 在社会全面倡导环保的大背景下, LED光源的使用应当得到普及和推广。
参考文献
[1]周美娜.半导体照明中非成像光学及应用[J].信息通信, 2014 (3) .
[2]罗毅, 张贤鹏, 王霖, 杨毅, 胡飞, 钱可元, 韩彦军, 李旭亮, 张志海, 邓国强.半导体照明中的非成像光学及其应用[J].中国激光, 2008 (7) .
[3]王蔚生, 姜维, 窦晓鸣.用于投影机的发光二极管照明单元[J].光学学报, 2005 (6) .
[4]薛国良.非成像光学及其应用[J].物理通报, 1995 (4) .
非成像光学 篇2
关键词：半导体照明,非成像光学,应用
半导体照明为我们的生活带来了巨大的改变,根据此技术提供的设备支持,我们实现了夜间作业等极具工作效率和节省工期的建设活动的有序开展。半导体照明主要仰仗的媒介便是非成像光学技术,这一技术目前基本通过LED光板这一主要途径来实现,从而将半导体照明设备的一系列显著特性都应用于人们生活的各个领域中,从而为人们带来生活质量的改变。但若想使半导体照明中的非成像光学的具体应用更加切合人们生活与生产的实际情况,还需要对非成像光学技术有一个全面的了解。
1 LED光源的特性
1.1 照明光源的种类繁多
半导体照明作为当下照明技术的主体,在我们的生活中起着不可替代的作用,因此我们首先必须要对半导体照明机制的原理有一个透彻的了解。在目前半导体照明的具体应用环节,半导体照明技术的主要实现形式是LED光板照明途径。而LED光板照明又要借助于非成像光学机制,因此非成像光学机制就被作为半导体照明的核心技术而广泛开发和利用。而LED照明作为照明类光源的一种,具有极为广泛的应用领域。
半导体照明在当下正作为市面上的室外景观性路灯以及一定室内环境条件下的照明设备来向市场具体投放,以此来满足大众的照明要求。而因为个人的实际使用状况和对光源的需要因人而异,具有较为强烈的差异性,这对于半导体照明操作人员的要求也就随之增大,因此相关的技术人员就必须结合不同人的不同使用标准来设计与布置不同款式的半导体照明设施。另外,性能的硬性要求,也在一定程度上提高了照明的效果,但是LED芯片的光分布还需要进行布置,性能的标准无法控制光分布情况,因此,需要按照垂直分布的要求,合理使用LED芯片。
1.2 LED光线特征明显
LED板作为一种发光媒介,在实际的光源释放层面也具有一定的差异,其光线成像的机制需要借助自身的主屏来实现,因此主屏之上光线的具体现实情况与光线之间的夹角密切相关。据观察发现,夹角越大,实际的光线也就越弱,而这也恰恰说明了LED的光源具备一定的灵活性,这一灵活性使得它能够随环境的变化而做出自主性的调整,也就能够在这一基础上满足不同环境下的不同光源要求,较为符合人们个体的主观差异性。
因此,相关的技术人员就需要从技术的实际应用层面出发,以光学的基本原理为主要核心,再结合不同场所的不同条件,尽量使相应的LED光源满足一定的照明要求,使LED光源的具体分布更为合理化。LED发出光线可以随着夹角变化而改变,这样的光学问题就属于非成像光学的范畴。基于此,技术人员一定要合理设计光学分布,使其可以在光学系统管理的情况下,提高LED光源的使用效果,进而满足更多的使用要求。
2 半导体照明中的非成像光学具体应用情况
2.1 非成像光学的要点所在
半导体照明与传统的光学机制不同,并不存在能量的过度损耗以及光源的一次性运用等不合理的缺陷,半导体照明在当今新时代的全新科技化元素相结合之后具有了更为人性化和更为优异的光学性能,在对光源的能量转化层面处理的十分妥当,能够使光源在一次成像期间未来得及开发的能量在循环体系中被重复利用,进而使得能量转换体系能够得以系统性的优化。
半导体照明还打破了传统光学系统的平面型光源传播界限,从光线的原始点型光源出发,从光学的基础出发,让非成像光学体系能够在主屏上以更为稳定的全息全能性光线集中性体系得到全方位的释放,进而使光线的强度得到全方位的提升及优化,并且这份提升具备一定的可控性,能够根据人们的实际需要进行自主调节,打破了传统光学机制较为狭隘且具有限制性的框架。但是这一技术的实施和应用要基于使用者的自身使用背景来进行人性化的技术处理,以使得技术能够准确而没有误差地为人们所用,并且还要注意外环境对光线发生机制的实地影响。
2.2 非成像光学具体照明应用案例
为了更加全面的展现出非成像照明的优秀特质,研究非成像照明的优势,在阅读室中,由于读者需要长时间阅读,视觉神经会非常疲劳,如果设置出柔和的光线,就会有效缓解视力疲劳。这要求阅读灯必须在一个统一的平面上,其照明的强度不能低于特定值,并设置出合理的LED照明环境,只有这样才能体现出非成像光学照明的先进性。
在使用时,非成像光学照明会在主屏上形成一个最大边沿的暗点,这就说明光照强度已经达到了一定的上限,这种情况下,对阅读者的眼睛就是最好的保护状态。在给定的照明区域中,也存在光照强度不断变化的情况,所以需要利用非成像光学系统对LED光源进行控制,使光照区域可均匀照明,并确保区域外没有或存在一少部分光照,这就是LED光源节约能源的一种体现。按照非成像光学系统的控制要求,需要合理设置发光线与轴线的发光角,进而满足光源保护视觉的标准。
结束语
总而言之,半导体照明中的非成像光学技术打破了传统光学技术的局限性框架,以一种全新的光感传播体系将光的传播和使用体系上升至一个全新的层次,从而使得光学在我们生活以及生产中的时间性、地域性应用更为人性化、自由化。而半导体照明中的非成像光学技术的这一突破性应用领域的全面开发有利于光学资源的全面性合理分配,有利于为人们的生活和生产系统提供更多的便利,同时还有利于促进我国相关产业的全面发展,因此相关部门和科研单位必须重视这一研究成果,并将之加以全面性的合理利用,进而从光学的角度推动我国经济体系建设的全面革新与进步。
参考文献
[1]杨国平.半导体照明中的非成像光学及其应用[J].黑龙江科技信息,2016.
[2]王兵兵.半导体照明中的非成像光学及其应用[J].智富时代,2016.
[3]祖宇霆.半导体照明中的非成像光学及其应用[J].黑龙江科技信息,2014.
卫星颤振光学成像仿真模型分析 篇3
高分辨对地观测技术主要在地球资源和侦查两类应用卫星中运用得比较多。由于国家安全和国防建设的需求,高分辨对地观测技术的研发得到世界大多数发达国家前所未有的支持力度,从两类卫星的发展速度可见一斑。我国在高分辨对地观测领域也投入了大量的人力和物力,期待能够建立一套自己的对地观测系统,实现全天候、高时间和高空间分辨率全球观测的使命,紧随发达国家的科技发展道路上前行。
高分辨对地观测从以往的几十米地面分辨距离,已发展到如今能够拍摄得到地面分辨距离1 m内的图像。但是制约高分辨对地观测能力的因素有很多,大致可以归类为光学系统、卫星平台、空间环境、以及电子电路系统等四方面。根据国内外的颤振资料显示,卫星上的颤振已经成为影响卫星光学成像质量的重要因素之一[1,2,3]。在姿态调整动量轮、调姿推力器以及外界扰动等因素下,地面目标在成像器件上位置发生了变化,这种变化在不同的成像方式下,对图像质量造成的影响不同[4]。因此,本文针对高分辨对地观测中,不同的光学成像模式下,卫星颤振对成像质量的影响展开研究,建立卫星颤振光学成像模型,并编制仿真软件SIBSIV1.0用于辅助卫星高分辨对地成像像质预测研究。
1 卫星颤振光学成像模型
以高分辨对地观测为主要目标的两类应用卫星:地球资源卫星和侦查卫星主要分布在太阳同步轨道、地球静止轨道、中高轨道以及甚低轨道等四类成像轨道上。卫星上装载的用于可见光成像的有效载荷,以面阵型相机和TDI相机(Time Delay and Integration,TDI)为主。在颤振影响下,在星载相机设定的曝光时间内,额外的颤振会导致地面目标在成像器件上位置发生了变化。此时,若采用面阵凝视成像,传感器像面的同一位置会接受物面不同点的亮度信息,导致图像分辨率降低;若采用TDI相机[5,6,7,8,9],像在像面的运动速度会与TDI相机预先设定的电荷转移速度失配,像面出现倾斜错乱并模糊的现象。
本文以模块化的思路,将卫星颤振的光学成像退化模型分成像模式模块和颤振模块进行研究,构建颤振影响下的物像之间的关系,具体细节如下。
1.1 面阵凝视成像退化模型
在面阵凝视成像模式中,当目标与成像器件在曝光期间存在颤振时,忽略成像过程中引入的噪声,曝光成像的过程可以理解为探测器接受物面光强信息的一个积分过程[10]。在这个曝光积分周期里目标与成像器件的相对位置发生改变,使得像面同一位置接受到物面不同点的信息,这些信息经过积分和平均处理,就使得出来的图像变得模糊。因此,颤振模糊物像关系表达如下:
式中:(x0,y0)表示成像平面坐标,te表示曝光时间,g和f分别表示像函数和物函数,x(t),y(t)为颤振函数。再将式(1)做傅里叶变换得物像频谱关系为
式中:(u,v)表示频谱坐标,G和F表示像面和物面的频谱分布。由上式提取得颤振相关的关键函数为
Fmot(u,v)就是仿真颤振成像的关键函数,即颤振引起的光学传递函数(Optical transfer function,OTF)。建立面阵凝视颤振成像模型的关键是建立颤振信息函数x(t)、y(t)和因颤振造成的光学传递函数Fmot(u,v)的关系,从而仿真模拟出在当前条件下的像输出情况。
1.2 TDI扫描成像退化模型
根据TDI特殊的工作机制,TDI相机扫描成像的模型通过一个临时矩阵A来建立物像之间的关系。临时矩阵A描述的是当前TDI面阵中各像素所包含的信息。每经过一个行周期,即电荷转移周期,重新计算矩阵A所包含的内容。当矩阵A最后输出行存在数据时,则为输出像的一行信息。这个计算过程正好模拟了TDI相机以面阵的结构,延迟积分成像的工作过程。矩阵A的计算方式如下:
上式表达的是,当前矩阵A的信息gi(k,m)和上一行周期矩阵A的信息gi-1(k,m-)1。(k,m)表示矩阵中各个像素坐标,f(x,y)表示落在TDI像面上的像信息,x(t)和y(t)分别表示在当前周期内像在水平和垂直方向上由颤振引入的移动量;T为TDI相机的行周期。
1.3 颤振模型
在颤振模块中,本文主要考虑三方面的颤振来源:平台颤振、卫星绕转以及地球自转[11]。颤振模块将这三种来源的颤振归结到像面上进行考虑。以像面的运动类型进行归纳分类,如表1所示,包括匀速运动、正弦颤振、随机运动以及它们的随意组合。
在实际成像过程,若是存在运动,往往不是一个简单的简谐振动或者线性振动,极有可能是由多个运动组合而成的。本文以组合颤振为例,研究复杂运动形态下的光学传递函数。以函数集{si(t)}来表示多个运动函数,并且{ϕi}是它们分别对应的运动方向。将每一个运动在x方向和y方向上进行分解,得:
式中:x(t)total和y(t)total就是在空间坐标下,沿着x方向和y方向的总位移量,那么由式(3),即可计算复杂运动的OTF,如下:
对上述情况采用坐标系旋转的方法进行处理。通过坐标旋转,每一种运动函数在新坐标系下,可用{xi′(t),yi′(t)}和{ϕi}来表示;那么对应的在频域空间就可以用{ui′,vi′}和{ϕi}来表示。新旧坐标系下的坐标关系就为
式(6)中的Fmot(u,v)变为
即,若复杂运动是由n种不同方向不同频率的运动构成的话,就需要n次的旋转运动来计算OTF。若在不同时间段存在不同类型的运动时,可采用以上方法,以分段函数积分的方式,实现OTF的计算。
2 仿真结果与分析
基于以上退化模型,本文对具有典型意义的运行在地球静止轨道下的卫星进行仿真成像。分析在既定的地面分辨率下,成像系统对低频和高频的卫星颤振的敏感程度。
地球静止轨道参数如表2所示,根据现有卫星运行情况,地球静止轨道上采用的成像器件通常为面阵凝视型相机,故仿真采用的相机参数如表3所示。
设定卫星光学系统焦距,可以在同一轨道上得到不同的理想地面分辨距离。根据卫星颤振的情况,拟定如表4颤振参数范围。
在以上0∼100 Hz频率的颤振范围内,对清晰卫星图像做仿真成像,得到各个频率分量上的颤振临界值,即当某个频率的卫星颤振幅度小于这个临界值时,获得的图像可以达到当前设定的地面分辨距离;反之,图像的模糊较为严重,到了不可忽视的程度。经过多次仿真实验,由上述参数分别测得以下临界状态。临界结果以结构相似性指数(Structural Similarity Index,SSIM)约为0.7以及主观对比为条件。
由图1的曲线分布可观察得到以下结论:首先,图中点划线(地面分辨距离50 m)最高,短横线(地面分辨距离40 m)次之,最后是实线(地面分辨距离20 m)。即,当卫星运行在静地轨道上对地观测,当地面分辨率越高时,成像系统的抗颤振能力越差,对卫星稳像装置的要求性也就越高。其次,将图1中的(a)与(b)比较发现,对成像质量的影响较为严重的颤振在低频区的幅度明显高于高频区,也就是说真正影响成像质量的颤振多集中在大幅度的低频区和小幅度的高频区。
3 验证实验
本文搭建了一套模拟遥感成像的地面半物理仿真实验系统。利用图像调制传递函数(MTF)为像质评价标准,验证了仿真模型的正确性和有效性。实验系统由成像标板、压电平移台、平行光管、成像镜头、成像相机等部分组成。实验原理框图如图2(a)所示,实物图如图2(b)所示。
成像标板放置于压电平移台上,由环形排列的LED光源均匀照明,用以模拟地物。压电平移台可按照给定振动条件进行二维振动。地物发出光线经过平行光管准直后进入成像镜头成像。具体实验步骤如下:
1)保持成像标版静止,获得静止状态下标版像,利用刃边法获取其MTF静态[12];
2)控制压电平移台运动(运动参数可由传感器实时精确测出),得到标版在特定颤振条件下退化像,并利用刃边法获取其MTF退化;
4)利用理论仿真模型计算相应运动参数造成的MTF下降;
5)比较两个MTF下降值。
对实验系统加载如表5所示颤振参数,可以分别得到标版的静态像与退化像如图3(a)、(b)所示。分别对图3的两幅像取MTF值,并利用上一节分析的仿真模型计算相应运动条件下MTF下降值,得到MTF曲线图如图4所示。
MTFA为MTF所覆盖区域面积,近年来较常用于图像像质评价中,以衡量图像整体对比度情况。本文参考0.1到0.5归一化频率处MTF值以及MTFA对所得MTF曲线变化趋势做出比较,结果如表6所示。
从表中可以看出,实验所得MTF曲线在趋势和数值上基本和理论仿真模型计算值一致,波动范围较小,因此可以认为在误差范围内实验结果与理论计算相吻合,较好地验证了理论仿真模型的有效性与可靠性。
4 结论
研究了卫星颤振光学成像退化的模型,围绕高分辨对地观测中光学成像所采用的不同的光学成像模式,建立了基于传感器模块和颤振模块的卫星颤振光学成像退化模型。基于模型对静地轨道上卫星光学成像系统对颤振的敏感程度进行了分析。仿真实验结果证明,地面分辨率越高时,成像系统的抗颤振能力越差。当颤振幅值高于某一临界值时,该颤振对成像质量的影响就不可忽略了。搭建了一套模拟遥感成像的地面半物理仿真实验系统,利用图像调制传递函数(MTF)为像质评价标准,验证了仿真模型的正确性和有效性。本文对卫星颤振成像进行理论推导和仿真设计,可用于卫星遥感稳像系统的指导设计,也为进一步研究卫星颤振带来的成像退化的补偿技术奠定了基础。
参考文献
[1]Sudey J Jr,Schulman J R.In-orbit measurements of Landsat-4thematic mapper dynamic disturbances[C]//International Astronautical Federation,International Astronautical Congress,35th,Lausanne,Switzerland,Oct7-13,1984,12:485-503.
[2]M Toyoshima,K Araki.In-orbit measurements of short term attitude and vibrational environment on the Engineering Test Satellite VI using laser communication equipment[J].Optical Engineering(S0091-3286),2001,40:827.
[3]Wittig M E.In-orbit measurements of microaccelerations of ESA's communication satellite OLYMPUS[C]//Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers,Orlando,Florida,July1,1990.
[4]樊超,李英才,易红伟.颤振对TDICCD相机像质的影响分析[J].光子学报,2007,36(9):1714-1717.FAN Chao,LI Yingcai,YI Hongwei.Influence Analysis of Buffeting on Image quality of TDICCD Camera[J].Acta Photonica Sinica,2007,36(9):1714-1717.
[5]石俊霞,薛旭成,郭永飞.卫星振动对TDICCD成像质量的影响及补偿方法[J].光电工程,2010,37(12):11-16.SHI Junxia,XUE Xucheng,GUO Yongfei.Effect of Satellite Vibration on Imaging Quality of TDICCD Camera and Compensation Method[J].Opto-Electronic Engineering,2010,37(12):11-16.
[6]佟首峰,李德志,高分辨力TDI—CCD遥感相机的特性分析[J].光电工程,2001,28(4):64-67.TONG Shoufeng,LI Dezhi.Analysis on the Characteristics of TDI-CCD High-Resolution Camera for Remote Sensing[J].Opto-Electronic Engineering,2001,28(4):64-67.
[7]许世文,姚新程,付苓.推帚式TDI—CCD成象时象移影响的分析[J].光电工程,1999,26(4):60-63.XU Shiwen,YAO Xincheng,FU Lin.An Analysis for the Influence of Image Method[J].Opto-Electronic Engineering,1999,26(4):60-63.
[8]赵贵军.推扫型TDI CCD光学遥感器动态成像研究[J].光学精密工程,2006,14(2):291-296.ZHAO Guijun.Study on dynamic imaging on push-broom TDI CCD optical remote sensor[J].Optics and Precision Engineering,2006,14(2):291-296.
[9]Wong H S,Yao Y L,Schlig E.TDI charge-coupled devices:design and applications[J].IBM Journal of Research and Development(S0018-8646),1992,36(1):83-106
[10]Yitzhaky Y.Evaluation of the PSF from motion-blurred images[C]//10th Meeting on Optical Engineering,Israel,September22,1997:822-831.
[11]赵阳.太阳帆板振动对星载CCD相机成像的影响[J].中国空间科学技术,1995,15(2):32-39.ZHAO Yang.Influence of array elasticity vibration on CCD image[J].Chinese Space Science and Technology,1995,15(2):32-39.
三轴紫外光学成像敏感器 篇4
光学姿态敏感器按工作波段分为红外地平仪,可见光波段图像敏感器,紫外敏感器。典型的红外地平仪虽然工作在稳定的红外波段,但其对背景噪音敏感,尺寸大,较重,价格较高。红外波段探测器需要进行致冷,而且红外探测器不能提供偏航信息,还需要配备一个偏航敏感器,这就增加了敏感器的体积和重量,这对于航天器来说是不希望的。三轴紫外光学成像敏感器的研制成功填补了我国在该领域的空白,与以往敏感器不同,它可以提供三轴姿态信息和自主导航数据。是我国今后的月球和火星等其它深空探测提供重要的姿态测量部件。
2 紫外光学成像敏感器谱段分析
用可见光波段可以做成集成式图像敏感器,可同时观测地球边缘和恒星得到三轴信息。但由于气候条件的原因,地球边缘在可见光波段变化很大,从而引入较大的定位误差。当然,对于没有象地球那样由大气层包围的天体来说,可见光敏感器应该也是不错的选择。
所谓紫外敏感器就是以紫外光谱(中紫外光谱波段250～300 nm)来观测天体目标的探测器。紫外敏感器最早起源于美国霍尼韦尔(Honeywell)[1]公司在1992年研制成的紫外三轴姿态敏感器即地球基准确定系统(ERADS),1994年完成了飞行试验,但是具体试验详情未见报道。
本文研制的紫外三轴姿态敏感器是我国自主研发的新一代姿态敏感器。该敏感器是一种捷联式三轴敏感器,具有新颖的光学系统和紧凑的结构,光机电一体化。它有两个观测视轴即中心视场和环形视场,只用一个固态敏感器组件就能同时敏感星,太阳和地球辐射,可同时提供三轴姿态数据和自主导航数据。具有重量轻、功耗低、多用途、高可靠、无活动部件、长寿命和低成本的优点,适合高中低轨道卫星应用。可代替以往地球敏感器、太阳敏感器和惯性速率敏感器的组合。基于这种敏感器的光学原理,也可变换光谱波段,观测不同的天体目标。因此该敏感器的光学原理具有一定的普遍性。
根据中科院地球大气物理所在“地球紫外模型与模式计算”报告的结论可知,无论在白天或夜间均存在适应于探测的紫外临边辐射的特征,这些特征中的临边辐射极值高度具有稳定的特点,随经纬度和季节变化很小,随观测方位角变化也很小。这一特征以足够精度来为紫外地平仪的建立提供信号基础。以上分析为研制紫外姿态敏感器奠定了理论基础。许多比太阳更热的恒星,其目视星等为4.5等或更亮的星。这组星至少有400颗。敏感器的观星视场为30°,相当覆盖整个天球的4%。因此在任何时刻都能观测到平均16颗星。据国家天文台的统计紫外恒星有1 000颗左右。因此在视场中最少可观测到一颗恒星。所以紫外波段是观测星和地球的极佳波段。紫外波段的图像稳定性可与红外图像相媲美。
3 紫外敏感器的理论基础
地球紫外波段的稳定性、白天或夜间紫外临边辐射的特征,可有足够精度来为紫外地平仪的建立提供信号基础。由于大气中氧和臭氧形成的波长小于300 nm的强烈吸收带,因此,在地面和大气特征以上的高度,形成地球日照边缘,而且这个边缘不受地面与气象特征的影响。由上可知,用紫外波段观测地球边缘理论上是可行的。
从图1与图2可看到,臭氧层的高度分布及光谱吸收波段分布。因为要观测的是地球紫外边缘,所以地球边缘的紫外强度分布是我们最关注的。
由图3和图4看到,日照地球边缘强度的分布是连续的,正午太阳直照地球时,紫外波段的辐射亮度最大,而夜间的地球边缘的紫外辐射是由高空大气中气体的辐射产生的。
紫外波段也是观测恒星的有利波段,因为很多亮星的温度远高于太阳的温度,因此紫外辐射亮度是可测的。依据美国TD-1天文卫星的在轨测试数据来统计的紫外恒星流量密度数据得知:1 000颗紫外可知辐射亮度的恒星,足可保证观星视场每时刻至少能看到一颗恒星。
通过以上图示看到,紫外敏感器的观测波段选择在中紫外波段250 nm～3 000 nm,是合理的。因为这个波段存在地球的“大气吸收区”中,所谓“大气吸收区”是指地球表面上空20～50 km之间的臭氧层。在该层大气中臭氧的混合比(臭氧含量/空气总量)最大。大气中的氧和臭氧强烈吸收太阳紫外辐射中的小于300nm波长的紫外辐射所致。因此,在地面和大气特征以上的高度,形成地球日照边缘,且日照边缘不受地面和气象特征的影响。日照边缘的强度分布曲线由瑞利散射决定的,因此它是完全可以预测的。它取决于太阳辐射和大气成份的高度分布。夜间地球边缘辐射是由高空大气中气体的辐射产生的。俯仰和滚动是通过观测白天条件下瑞利散射太阳光强度最大的高度导出的,其极大值分别发生在地球表面上空55 km与91km的高度。经观测这个高度差变化不大。而且从白天到夜间或从夜间到白天的过渡阶段,这两个高度间极大值形成一个有序的序列。整个地球是同时观测的,天底是通过地平经度的最大强度的平均中心确定的。
4 紫外光学敏感器成像原理
对于光学系统来说,根据组合光学系统的配置要求,设计一个蓝宝石球透镜和相应的反射系统组合。
偏航的数据根据观测紫外恒星的位置来确定的。中心视场30°相当4%的全天球,按照目视星等4.5等或更亮的星。至少也有400颗,按照国家天文台提供的紫外恒星数量要多一倍,因此在观测视场内保证每时刻有多于16颗的恒星数目。即使在各种可能的观测条件下,在视场中至少也能看到一颗星。
由图5可知光学系统由1为45°反射镜、2为光纤面板耦合件、3为球透镜、4为锥反射镜、5为平面反射镜组成,由图5看到,紫外敏感器要观测的范围是地球表面到地球表面10°以上。要获得这样的超大视场角的图像,一般常规广角物镜系统不适合。
紫外敏感器的光学系统为双视场,因此要组合利用一个反射式视场压缩器和一个球透镜构成一个非常规的光学系统。球透镜作为光学系统的物镜,球透镜的材料为蓝宝石。在球透镜的球心设置通光光阑,光阑的中心与球透镜的两个对称半球同心。蓝宝石在紫外波段有高的光学折射系数,可大大减小球透镜产生的球差。而因球透镜产生的像面弯曲即场曲,可用光纤面板做成的曲面与其匹配。至于球透镜产生的色差,基本忽略不计,因为选用的紫外波段较窄。由于球透镜自身的光学特点,因此这一紧凑的透镜系统在整个宽视场弯曲的像面上的照度分布基本是均匀的。而一般广角光学系统在像面上的照度分布,按照视场角的余弦4次方衰减。蓝宝石具有熔点高、耐腐蚀、耐磨损、耐冲击,透过率随温度的变化不大的优点。蓝宝石的缺点是硬度大,这会给光学冷加工带来一定的困难,加工周期较长。再一个是蓝宝石的双折射问题,理论上蓝宝石要产生光学上的双折射即o光和e光,但是对于短焦距的光学系统而言,双折射现象可以忽略不计,不影响成像的清晰度。对于光学表面的反射损失可通过镀增透膜减少反射损失,提高光学效率。
光纤面板的曲率大小是光学计算确定的,球透镜像面的曲率就是光纤面板的曲率。光纤面板的作用是匹配球透镜产生的场曲并将弯曲的像面转换成平面,只有这样才能够与像增强器匹配。由于像增强器对紫外光谱不敏感,因此需要在光纤面板的曲面上喷涂一层光谱转换膜。膜系为正交晶系α-Sr Si O4:Pr紫外荧光粉,A=7.079、B=5.672、C=9.784 3。空间群Pnma(62)所发射的紫外光谱为270 nm,所产生的紫外光可激发转换荧光粉发出波长峰值为550 nm的可见波段。
所谓反射式视场压缩器,其实就是一个双反射镜系统,如上图5所示,采用22.5°夹角的8面椎面反射镜与一块平面反射镜,构成一个非连续的反射阵列,虽然会带来像散,降低其分辨率,但是保持了其波前的成像质量。地球边缘经椎面反射镜反射后的成像会导致地球边缘切线方向的像畸变。而且每个反射镜的接缝处有一定视场范围的模糊区或叫盲区,这是该光学系统的固有缺陷。因为姿态确定算法的实质是求出地球的中心,因此这种成像方式对姿态确定没有问题。反射面的多少对于计算精度有一定的关系,但是也牵涉到光学冷加工的难易程度,需要综合考虑。由于光学系统视场大,杂光干扰是不可避免的,卫星工作在距地球一定高度的轨道上,太阳就是最大的杂光源,因此,为了避免杂光的干扰,在有效视场外采取屏蔽措施。在光学系统内部采取反射面之间加隔离板,各个子视场相互独立成像,试验证明这样的防杂光措施是行之有效的。
观测恒星的中心视场与观测地球边缘的环形视场成90°角设置,恒星目标经45°反射镜反射后进入球透镜独立成像。为了使光学系统达到小型化,轻量化,在保障光学系统稳定、可靠的条件下优化设计反射镜阵列。
5 研制的敏感器
三轴紫外敏感器设计参数如表1。研制成的工程样机如图6,成像图为7,标定图和实验如图8,9。
通过观星试验和利用星模拟器测试,三轴紫外敏感器可以观测到5等星;通过标定,三轴紫外敏感器标定精度为偏航小于0.05°,俯仰小于0.05°,滚动小于0.05°。达到设计指标要求。
6 结论
三轴紫外敏感器的研制成功为卫星姿态定位提供一种新的测量部件。紫外波段被证明是稳定的,三轴紫外敏感器不仅可以敏感地球,而且还可以敏感其它星体,如月球和火星等,解决了红外地球敏感器由于确少大气敏感其它星体的不稳定问题。三轴紫外敏感器的测试结果达到设计要求,为紫外月球敏感器的研制奠定了基础,对深空探测具有重要的意义。
参考文献
[1]Douglas Pledger,Jame Billing-Toss,William Saylor.Low Cost Ultraviolet3Axis Attitude Sensor System[C]//Small-Satellite Technology and Application.[S.l.]:SPIE,1940:231-238.
[2]Douglas Pledger,Jame Billing-Toss,William Saylor.Low Development of Honeywell’s Earth Reference Attitude Determination system(ERADS)[C]//.Proceedings of the7th annual AIAA/USU conference on Small Satellites.Logan,UT,USA:[s.n.],1993:437-443.
[3]Janz S J.Rayleigh Scattering Attitude Sensor[J].SPIE,1996,2831:146-153.
[4]王立,郝云彩.一种成像敏感器对月定姿算法[J].宇航学报,2007,28(1):39-42.WANG Li,HAO Yun-cai.The Novel Algorithm of Attitude Determination for Luna Used by Imaging Sensor[J].Journal of Astronautics,2007,28(1):39-42.
掠入射光学系统成像质量评价 篇5
关键词：光学设计,像质评价,X射线光学,掠入射,太阳观测仪器
0 引言
太阳掠入射X射线成像望远镜是进行太阳活动观测,预测空间天气变化的重要仪器。其工作在0.6~6 nm的软X射线波段。由于,在这个波段范围几乎所有介质的折射率都接近于1,所以X射线光学系统多采用掠入射式[1,2,3,4]。掠入射望远镜大多采用由一组同轴共焦的二次曲面组成的Wolter I型结构或者由Wolter I型结构改进的双曲面-双曲面(H-H)结构。这些掠入射系统的反射镜都是大离轴量的筒状二次曲面,入瞳是遮拦比很高的圆环,其中Wolter I型掠入射望远镜的子午剖面图如图1所示[5,6,7,8,9,10]。掠入射望远镜的这种特殊结构形式导致在使用商用光学设计软件对掠入射系统的光学结构进行设计、优化和成像质量评价时存在诸多的困难[8,11,12,13,14]。由于ZEMAX不能直接计算掠入射系统的点扩散函数(PSF)、能量集中度(Fractional Encircled Energy)、线扩散函数(LSF)和调制传递函数(MTF),致使很难对掠入射系统进行比较全面的像质评价。本文使用Matlab编程语言编写了用于掠入射系统的像质评价程序。此程序通过动态数据交换(Dynamic Data Exchange)接口与ZEMAX建立链接,综合ZEMAX的光线追迹功能和Matlab的数学计算能力,用来计算掠入射系统的点扩散函数、线扩散函数、能量集中度和调制传递函数。程序的计算结果可用于对掠入射系统的成像质量进行比较全面的评价,对掠入射系统的设计和优化具有指导作用。
1 DDE功能简介和像质评价程序设计
动态数据交换(DDE)是为了在程序间共享数据而在Windows操作系统内部定义的一个协议。在Windows平台上运行的两个应用程序,可以通过建立一个DDE链接来交换数据,其中请求建立对话的应用程序称为客户程序(Client),而响应对话请求的应用程序被称为服务器程序(Server)[15,16]。在我们编写的像质评价程序中,ZEMAX扮演服务器程序负责追迹光线,并把追迹结果传回Matlab;而Matlab则扮演客户程序,控制整个程序的开始、结束及数据的处理。该像质评价程序的流程图如图2。
1.1 定义待追迹光线阵列
在像质评价程序中,首先需要解决的就是待追迹光线阵列的问题。为此,我们编写了专门用于掠入射系统环形入瞳的光线阵列生成程序,该程序采用圆柱坐标系作为输入坐标系,通过定义相邻光线在光瞳边缘时圆周方向的角度间隔、沿半径方向的距离间隔以及入瞳的遮拦比,把环形入瞳分成大量面积相同的小块,取每个小块的中心作为入射光线的光瞳坐标,从而产生入射光线的光瞳坐标阵列。光线阵列生成程序产生光线光瞳坐标阵列的同时,保证每条光线代表光瞳上相同的面积,进而能够代表相同的光强[17,18]。图3是使用光线阵列生成程序产生的0.1弧度间隔(入瞳边缘),0.1半径(归一化半径)间隔,在遮拦比为0.5的环形入瞳上光线的光瞳坐标阵列。可见坐标点在入瞳上均匀分布,每条光线能够代表相同的光强。
得到入射光线的光瞳坐标后,要完全确定入射光线还需要该光线的视场坐标。由于本例评价的掠入射系统是用于观测太阳的望远系统,同一视场的入射光线为平行光,它们的归一化视场坐标和归一化的物方视场相同。最后要按照ZEMAX要求的格式,将光线数据存成结构数组的形式,ZEMAX要求的数组元素的结构如下[19]:
结构体中每个变量所代表的意义根据光线追迹模式的不同会稍有不同,各个变量的具体意义可参考ZEMAX操作手册[19]。根据所产生光线阵列的光瞳坐标和视场坐标,将光线数据存储为以上结构体数组的形式,并根据要求设置0元素的数据,等待传送给ZEMAX。
1.2 建立DDE链接追迹光线
一旦所有的光线数据定义成功,就可以与ZEMAX建立DDE链接。将光线数据数组传递给ZEMAX“服务器”,由ZEMAX进行光线追迹。追迹结果仍然以结构数组的形式传回Matlab。Matlab收到结果后,首先确认结果的正确性然后再对结果做进一步的处理。
使用Matlab与ZEMAX建立链接的基本步骤如下[20]:
1)打开ZEMAX和Matlab。
2)通过Matlab用ddeinit函数建立DDE链接。
3)用Matlab函数发送请求并接收从ZEMAX返回的数据。
4)用ddeterm函数结束与ZEMAX的链接。
1.3 追迹光线结果的处理
1.3.1 点扩散函数的计算
从ZEMAX返回的数据是一系列点的坐标,也就是光线在像面上交点的几何坐标。由这些几何坐标可以得到系统像面上的点列图。由于每个点代表一条光线,根据定义光线阵列时的假设每条光线代表相同的光通量,因此根据点列图可以得到像面上这个点像的亮度分布即几何点扩散函数。掠入射系统为大像差系统,按照像差理论,大像差系统的点扩散函数可以近似由其几何点扩散函数来表示[17]。由于掠入射系统入瞳的遮拦比很高导致其孔径的衍射作用比普通光学系统要大很多,为了更加精确的描述光学系统的成像特性,在计算其点扩散函数时还要考虑环形入瞳的衍射作用。根据波动光学和傅里叶光学理论可以得到掠入射系统环形孔径衍射作用的数学表达式:
其中。并利用Matlab编程语言将此表达式写成程序的形式作为系统的衍射点扩散函数[21,22,23]。然后将几何点扩散函数和衍射点扩散函数进行卷积运算,把卷积运算的结果作为系统最终的点扩散函数[24,25]。通过以上方法得到双曲面-双曲面型掠入射系统在视场为10.5′时的点扩散函数,如图4。
1.3.2 能量集中度的计算
光学系统的点扩散函数是得到其它各种像质评价标准的基础,但点扩散函数并不是评价光学系统常用的方法。通常设计人员采用能量集中度和调制传递函数来评价掠入射光学系统像质好坏。
能量集中度,即像面上像点光斑的能量随半径的变化。它的横坐标为光斑半径,纵坐标是在所选的半径范围内的光强占光斑总光强的百分比。这种方法能更直观地看出点目标成像的弥散程度。可以采用主光线与像面交点坐标,或者点扩散函数的质心作为光斑中心[26]。这里采用点扩散函数的质心作为光斑中心,通过计算不同半径范围内点扩散函数的强度占总强度的百分比,即得到掠入射系统的能量集中度。
1.3.3 线扩散函数和调制传递函数的计算
线扩散函数是光学系统对物面上线所成的像,它可以通过点扩散函数的积分求得。通过对点扩散函数沿子午和弧矢方向积分,即可以得到光学系统子午和弧矢方向的线扩散函数[27]。调制传递函数(MTF)是表示光学系统对空间频率响应的函数,是目前对光学系统进行像质评价时一种常用的方法。调制传递函数是光学传递函数的模,光学传递函数是光学系统点扩散函数的傅里叶变换[26,27,28]。所以只需要把前面求得的点扩散函数或线扩散函数进行傅里叶变换,然后求模即可得到光学系统的调制传递函数。
2 应用及结果分析
根据以上介绍的方法,我们使用Matlab编程语言编写了针对掠入射系统的像质评价程序。并在普通个人计算机(主频3.0 GHz、内存1.5 GB、Windows XP操作系统)上使用该程序同时追迹约9 000条光线(继续增加追迹光线数量,程序的计算结果并没有显著变化,说明该光线密度比较合适),计算了Wolter I型和经过优化后的双曲面-双曲面(H-H)型掠入射系统的各种像质评价标准。试验发现,该像质评价程序同时计算出掠射光学系统的点扩散函数、线扩散函数、能量集中度以及MTF四种像质评价指标共耗时65 s,说明该像质评价程序能够较快地对掠射系统进行像质评价。文中使用的Wolter I型掠入射系统和优化后H-H型掠入射系统的光学参数和结构参数见表1,由ZEMAX得到它们的点列图如图5[14]。
我们使用像质评价程序计算了Wolter I型和双曲面-双曲面型的掠入射系统在不同视场时的成像质量,并对计算结果进行对比分析。计算得到双曲面-双曲面掠入射系统结构在0.5视场时的点扩散函数、能量集中度、线扩散函数以及调制传递函数MTF如图6所示。
作为全面评价掠入射系统像质的重要依据,通过像质评价程序得到Wolter I型和双曲面-双曲面型的掠入射系统在中心、0.3、0.7以及边缘视场时的能量集中度和调制传递函数如图7所示。
由图7和图8,可以得到Wolter I型和双曲面-双曲面型的掠入射系统在不同视场时包含80%能量时的弥散圆半径,如表2。由上图和表2可以得到,Wolter I型结构掠入射系统在中心视场和0.3视场的成像质量优于双曲面-双曲面型掠入射系统;双曲面-双曲面结构的掠入射系统在0.7和边缘视场时,能量集中度和MTF都比Wolter I型结构有明显的提高,其中0.7视场时包含80%能量的弥散斑半径为9.5µm,MTF在40 lp/mm时大于0.3。由于0.7视场远比中心视场包含的信息量大,0.7视场的分辨率较中心视场重要,可以认为双曲面-双曲面结构的掠入射系统成像质量较Wolter I型好。为了验证像质评价程序的正确性,我们以国外公布的太阳掠射望远镜的结构参数[8]为例,采用本文的像质评价程序对其成像质量进行计算,并将计算结果与其公布的太阳图像数据[29]进行了对比,结果显示此像质评价程序的计算结果与所公布图像的分辨率基本相符,能够有效的反应掠射系统的成像质量。
3 结论
成像前光学调制系统的眩光测量 篇6
眩光效应作为一种光学物理现象广泛存在于人眼、相机等光学成像系统中。由于其诱发原因的多样性和光学成像系统的结构复杂性,使得对眩光的定性、定量的测量和评价一直难于实现。目前,对眩光效应的研究主要集中在对某一特定光学成像系统和特定条件下的数学建模和模拟仿真等定性评价范畴。针对人眼产生的眩光,目前多采用样本统计法,利用众多观察者直接感知和主观评价的方式对其进行分类和定性评定[1,2]。对相机而言,镜头眩光主要由散射光线、机身自由光线和镜面反射光线三个部分共同作用形成[3,4,5]。具体地说,镜面反射引起的眩光被称作反射眩光,是当局部像场具有很高的光强度时,会在物镜的前后表面以一定的透射率进行反复折射和反射;散射光线引起的眩光被称作散射眩光,是高亮直射光线经过系统孔径时发生的散射现象;机身自由光线可以通过机身车削内螺纹等加工方式大幅减小,相对其他两类眩光组成可以忽略不计。近年来针对反射眩光和散射眩光,人们尝试着提出了一些测量解决方案。Masanori K基于波动光学理论应用傅里叶变换实现对眩光的仿真[6]。John J利用高动态成像多次曝光方式实现对直射光线、光瞳散射光线造成的镜头眩光的测量[7]。Ramesh R建立了一个4D光线空间模型,通过插入高频遮光板将具有高频特性的镜面反射光线从成像光场中分离出来[8]。然而大多对镜头眩光的特性研究都是采集已带有眩光的图像之后的软件处理算法[9],难以对其有效定量测量和去除。随着以数字微镜器件(Digital micro-mirror Device, DMD)为代表的基于微机电技术(Micro-electro-mechanical System, MEMS)的空间光线调制器(Spatial Light Modulator, SLM)的发展,一种新兴的计算型视觉成像前调制处理技术出现[10,11,12,13]。受到这一新技术的启发,本文主要针对散射眩光提出了基于DMD相机的成像前调制测量方法。首先我们利用点扩散函数来描述散射眩光的物理特性和成像规律;随后基于散射眩光的物理特性,设计了一套基于DMD的双臂式光学系统,并提出了应用空间光线调制方式分离理想图像和眩光图像,从而完成眩光重建的测量方法;最后实现了针对金属表面镜面反射引起的镜头眩光的测量实验,展示了提出的眩光测量方法的效果。
1 点扩散函数
国际上常用眩光点扩散函数模型(GPSF)描述单点光体引起的眩光随理想图像中心距离而变化的光功率分布状况[14]。假设从像场发出的光线到达物镜的辐照度分布为E(x ,y),则在成像平面上的光功率分布为
式中:u和v是成像平面的像素坐标;x和y是物镜孔径面的坐标;F(x ,y,u,v)就是成像系统的点扩散函数。可见广义点扩散函数反映光线的4 维空间关系特性。
根据统计观察散射眩光的点扩散函数近似为
式中:1 /k为成像中心光线幅度;σ 为点扩散系数,与点扩散区域半径成正比;(u0,v0)为成像中心点坐标。
散射眩光的点扩散函数仿真结果如图1 所示:图1(a)是入射光线为一个单位的光功率时,其造成散射眩光的点扩散函数仿真结果;图1(b)为入射光线与主光轴成一定倾角时散射眩光的点扩散函数仿真结果;图1(c)和图1(d)分别为多个入射光线同时进入像场时散射眩光的点扩散函数的三维分布图和二维分布图。
散射眩光由直射高亮光线在透镜入瞳孔径处发生散射所产生,其具以下几个物理特性:图1(a)和图1(b)中辐照度最高点在电荷耦合元件(Charge-coupled Device,简记为CCD)像平面的投射点为直射成像中心,散射眩光以直射光线的成像坐标为中心向外扩散且在横截面上对称分布;由点扩散函数分布二维图1(d)清晰可见,散射眩光辐照度分布随直射成像中心的距离增加而减小[8];从直射成像中心到5 个像素距离,散射眩光辐照度由40 W/m2下降到了5 W/m2,这部分靠近直射成像中心的散射眩光辐照度下降速度快,表现为高频现象;从5 个像素距离向外,散射眩光辐照度由5 W/m2缓慢下降趋近于0,这部分远离中心的散射光功率下降速度缓慢,表现为低频现象。这样当降低直射光线强度时带来了点扩散系数σ 的减小,高频范围缩小,原本是表现为高频的眩光转变为低频成分,而原低频部分进一步减小乃至消失。本文的测量方法就是基于以上提出的。
2 实验系统及测量结果
2.1 实验系统
基于DMD的空间光线调制特性,本文搭建了一套计算型视觉成像前调制处理双臂式实验系统,光学原理与实验装置如图2 所示。整套实验系统分为成像臂和调制臂两个子系统,由CCD、DMD、透镜组1、透镜组2 和被测目标组成。其中,DMD由608×684 个可独立控制状态位置的微小平面镜组成,每个微小镜面都有两个状态on(+12°)和off(-12°),通过控制电路信号的高低电平产生静电吸力使其翻转,从而实现光线的空间调制效果。为了避免反射式眩光的混入,实验用的透镜都是高透射率的胶合透镜。在成像臂子系统中,金属冲压圆形件作为被测目标;根据其表面的双向反射分布特性[15],调整照明光源使得具有高反射率的边缘处出现高亮直射光。高亮直射光在其经过透镜组1 的入瞳孔径时发生散射,随后散射眩光和被测目标一同成像在CCD面上。在调制臂子系统中,透镜组1 将DMD经调制光线再次成像到CCD面上,并由CCD完成图像采集;CCD和DMD通过处理器联接形成反馈回路,当CCD像面出现过饱和时,通过DMD调制降低相应位置的光线强度,CCD再次采集图像,如此反复直至CCD像面无饱和区域。
因为DMD以±12°翻转,导致成像系统的主光轴在DMD处发生偏转,即成像臂子系统与调制臂子系统的光轴夹角成24°。这样使得DMD面与透镜组2 面无法平行,要满足DMD面和被测目标面相对透镜组2 共轭,三者的安装位置需要倾斜于主光轴,且满足斜置场面成像条件[5]。即如果DMD面、透镜组2 面和被测目标面三面相交于一线,则来自被测目标面上的所有入场光线都会被透镜组2 聚焦于DMD面。
2.2 眩光重建
在采集图像中眩光作为寄生像附着在理想图像上,故我们把原始采集图像分为两部分:
分解眩光为高频和低频两个部分:
式(5)的前半部分是低频图像,当DMD进行反转调制时,这部分光线成像灰度会相应变化;后半部分是高频图像,成像灰度不会随DMD的调制而变化。初始将DMD设置为255,CCD采集初始图像并判断高频坐标域Dk,反馈设置DMD相应坐标为
式中:α 为调制尺度因子,tk高频域判定阈值,经过DMD的第k次调制后CCD继续采集第k+1幅图像,如此反复直至无第K次高频图像为止。由此我们得到了一组图像数据Ik和一组权值矩阵Wk,k =1,2,,K。反向计算得到第k幅图像的估计值:
然后通过与原采集图像Ik相减得到第k幅图像中的眩光值Ig,k,进而累加得到眩光辐照度分布。
式中H为辐照度-灰度响应曲线函数。
这样,便实现了成像前光学调制系统的眩光测量。与基于波动光学理论傅里叶变换法对眩光进行模型仿真不同,本方法的分段调制和离散采样方式更适用于多直射成像中心点叠加散射眩光的检出。高频遮光分离法在成像光路中插入高频遮光板虽然能有效分离散射眩光的高频部分,但对散射眩光的低频部分同样有削弱效果,与之相比较,本方法对散射眩光的低频部分的重建数据更符合真实散射眩光分布特性。所以相比之下本文提出测量方法更具可行性和优越性。
2.3 实验结果
实验中金属圆盘边口发生镜面反射的高亮光,在DMD之前的光学系统中形成散射眩光,未经调制处理的初始图像如图3(a)所示。将眩光部分图像放大如图3(b),可以发现金属圆盘边线处CCD过饱和,且在其附近出现高亮的毛边。眩光现象在降低图像对比度的同时也掩盖了金属圆盘的边缘几何尺寸信息。当利用前文所提到的方法将眩光和理想图像分离后,便重建出了眩光的空间分布数据。图3(c)是实验中金属圆盘边口处眩光的辐照度三维分布图。它是CCD将在相应边缘处的连续眩光以离散的形式采集出来,并进行光学累加而成。
进一步分析图3(c)中的散射眩光测量实验结果。可见,散射眩光辐照度分布在0~600 W/m2之间,直射光线的成像中心点是多点连续的,使得散射眩光分布效果叠加。直射光线的成像中心点集中在边缘上,其辐照度值明显高于其它位置。在圆盘的径向截面中,眩光仍能反映点扩散函数的分布趋势。由于不同成像中心的直射光线强度不同,其点扩散系数也不尽相同。以辐照度最大的直射成像中心点为例,从直射成像中心到约20 pixels距离,散射眩光辐照度下降速度快,为高频眩光部分;从20 pixels距离向外,散射眩光辐照度下降速度缓慢,为低频眩光部分。对散射眩光辐照度进行统计,约70%直射成像中心的散射眩光以10 pixels~15 pixels距离为高频和低频部分的分界值,95%的散射眩光辐照度分布在0~200 W/m2之间。
3 结论
非成像光学 篇7
光学相干断层成像技术(OCT)是继X射线、CT、MRI和超声诊断技术之后的又一种新的血管内成像方法。它综合光学技术、超灵敏探测技术和计算机图像处理技术快速获得血管横断面高分辨率的微观结构图像。OCT分辨率可达10μm×25μm,接近观察到组织水平,被称为“体内的组织学显微镜”。随着OCT在人体冠状动脉内获得高清晰图像使这项技术在冠心病介入领域中应用报道逐渐增多,并以其在冠状动脉疾病诊疗方面凸显的技术优势及重要价值而受国内外专家的高度关注。据悉,OCT是一项较为成熟的技术,早期用于眼科相关检查;2001年开始应用于冠状动脉成像,具有临床有效性及安全性;OCT可用于诊断临界病变,包括精准判断斑块成分、发现和识别易损斑块及红、白血栓,判断支架术后即刻效果,术后随访,检测和患者密切相关的药物洗脱支架术后内膜覆盖情况等,这些优势可以指导医生在评价治疗方案、确定治疗策略、采取应对措施等方面做出更为准确的判断;OCT可提高手术的安全性和成功率,辅助判断术后抗血小板药物氯比格雷的服用时间,节约患者的长期治疗费用。国内阜外医院等12家拥有OCT设备。