光電子學(xué)與激光技術(shù)

TMT望遠(yuǎn)鏡三鏡系統(tǒng)的研究進(jìn)展

王富國(guó)，楊飛，趙宏超，等

摘要：30 m望遠(yuǎn)鏡（TMT）是當(dāng)前正在設(shè)計(jì)建造的大型望遠(yuǎn)鏡之一，其橢圓形三鏡的尺寸為 3594 mm×2536 mm×100 mm，重量為1.8 t。一方面要求鏡面面形誤差SlopeRMS小于1 urad，諧振頻率大于15 Hz；另一方面結(jié)構(gòu)的重量小于4.8 t，并且設(shè)計(jì)空間非常狹小，這對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了很大的挑戰(zhàn)。簡(jiǎn)要介紹了我國(guó)加入TMT的重大意義及承擔(dān)的任務(wù)，詳細(xì)闡述了TMT三鏡系統(tǒng)的技術(shù)難點(diǎn)、采用的技術(shù)方案以及技術(shù)指標(biāo)等。TMT三鏡系統(tǒng)分為三鏡組件（M3CA）、三鏡定位組件（M3PA）兩個(gè)主要部分。針對(duì)M3CA，提出了采用基于kinematic原理的支撐方案，底支撐和側(cè)支撐均采用whiffletree的結(jié)構(gòu)形式，使三鏡在鏡室中的自由度為零，既不過(guò)約束，也不欠約束。對(duì)于 M3CA的底支撐系統(tǒng)，采用 18點(diǎn)whiffletree支撐方式，但是傳統(tǒng)的whiffletree支撐方案應(yīng)用在橢圓形平面鏡上，其支撐效果并不好，分析發(fā)現(xiàn)，一是因?yàn)橛捎谥谓Y(jié)構(gòu)自身的質(zhì)量造成的實(shí)際平衡點(diǎn)的位置與理論位置有一定的誤差，二是因?yàn)槊總€(gè)支撐點(diǎn)的支撐力不相等，對(duì)支撐結(jié)構(gòu)造成的變形也不相等，因此采用力矩校正的方法對(duì)各個(gè)支撐力進(jìn)行校正，校正后的面形誤差達(dá)到RMS＝109.7 nm，SlopeRMS＝0.95 urad。對(duì)于M3CA的側(cè)支撐系統(tǒng)，在經(jīng)典的應(yīng)用于圓形反射鏡的3個(gè)均布切向桿的側(cè)支撐方案的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步發(fā)展了3組每組4點(diǎn)的whiffletree側(cè)支撐方案，這種側(cè)支撐方案只會(huì)在支撐點(diǎn)附近引起局部的泊松效應(yīng)，因此支撐后的面形誤差可以達(dá)到 RMS＝15 nm，SlopeRMS＝0.1 urad。分析發(fā)現(xiàn)，這種結(jié)構(gòu)的拓?fù)湫问綄?duì)重力和溫度引起的面形誤差影響不大，但是對(duì)三鏡系統(tǒng)的諧振頻率影響較大，對(duì)其簡(jiǎn)化后，提出了等效圓的概念，等效圓的半徑越大，則諧振頻率越高，經(jīng)優(yōu)化后，三鏡的諧振頻率可以達(dá)到17.7 Hz。針對(duì)三鏡在地震中的存活能力，進(jìn)行了等效靜態(tài)的有限元分析，找出了在不同狀態(tài)下的最大應(yīng)力位置，按照分析結(jié)果，設(shè)計(jì)了地震防護(hù)系統(tǒng)。采用力矩校正技術(shù)后的whiffletree支撐系統(tǒng)，其實(shí)際平衡點(diǎn)與理論平衡點(diǎn)位置重合，因此支撐效果較好，而且這種技術(shù)也可以應(yīng)用在其他類(lèi)似的whiffletree支撐系統(tǒng)中。對(duì)于側(cè)支撐系統(tǒng)采用whiffletree支撐方案，總結(jié)了其拓?fù)湫问脚c諧振頻率的關(guān)系。針對(duì)M3PA的Tilt軸系，由于設(shè)計(jì)空間的限制，其驅(qū)動(dòng)位于三鏡的背后，采用了曲柄滑塊形式，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于實(shí)現(xiàn)，其傾斜精度在望遠(yuǎn)鏡標(biāo)校后可以達(dá)到 8（''）RMS。對(duì)于 M3PA的Rotator軸，為了避免“抖動(dòng)”和“低速爬行”，采用雙步進(jìn)電機(jī)和雙齒輪驅(qū)動(dòng)，其軸承采用了三排滾子軸承，徑向最大變形量是3.12 μm，軸向最大變形量是1.27 μm，旋轉(zhuǎn)精度在望遠(yuǎn)鏡標(biāo)校后可以達(dá)到 9（''）RMS。TMT三鏡系統(tǒng)是當(dāng)前世界最大口徑的橢圓形平面反射鏡，而且其具有“旋轉(zhuǎn)”和“傾斜”運(yùn)動(dòng)的功能。根據(jù)其特點(diǎn)和特殊要求，著重論述了三鏡底支撐系統(tǒng)和側(cè)支撐系統(tǒng)的方案，并在研究過(guò)程中，提出了力矩校正技術(shù)和等效圓的概念，在三鏡面形誤差滿足要求的基礎(chǔ)上提高了諧振頻率。簡(jiǎn)要論述了M3PA的技術(shù)方案和進(jìn)展。

來(lái)源出版物：中國(guó)光學(xué), 2013, 6(5): 643-651

入選年份：2016

空間激光通信發(fā)展概述

吳從均，顏昌翔，高志良

摘要：目的：得益于現(xiàn)代激光技術(shù)和光學(xué)制造技術(shù)的進(jìn)步，空間激光通信終端的研制在各個(gè)國(guó)家得到廣泛重視。發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)是增強(qiáng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技實(shí)力、國(guó)防實(shí)力和民族凝聚力的重要舉措。旨在通過(guò)對(duì)激光通信終端國(guó)內(nèi)外的發(fā)展?fàn)顟B(tài)進(jìn)行調(diào)研，指出未來(lái)激光通信發(fā)展的方向和關(guān)鍵技術(shù)，為相關(guān)領(lǐng)域提供參考。方法：詳細(xì)梳理和分析了各個(gè)國(guó)家空間激光通信技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀和技術(shù)特點(diǎn)，并通過(guò)各個(gè)載荷的光學(xué)結(jié)構(gòu)、參數(shù)指標(biāo)、儀器通信方式、研制作用等方面進(jìn)行比較，全面概述了各載荷的優(yōu)缺點(diǎn)。在重點(diǎn)儀器對(duì)比中，重點(diǎn)分析了以美國(guó)、ESA、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家的代表性激光通信終端，比較了各自光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)。在對(duì)這些載荷進(jìn)行充分概述的基礎(chǔ)上指出未來(lái)激光通信發(fā)展的關(guān)鍵技術(shù)和發(fā)展趨勢(shì)。結(jié)果：對(duì)比各個(gè)成功應(yīng)用的激光通信終端，歸納激光通信的發(fā)展概況如下：（1）激光通信的發(fā)展主要集中在發(fā)達(dá)國(guó)家，發(fā)展中國(guó)家起步晚，投入度遠(yuǎn)不及發(fā)達(dá)國(guó)家，具有較大差距；（2）激光通信通信波長(zhǎng)基本采用1550 nm激光，ATP系統(tǒng)多采用800～850 nm波長(zhǎng)；（3）激光通信的通信速度和通信距離有關(guān)，現(xiàn)有技術(shù)下，采用激光通信方式在1000000 km距離以內(nèi)數(shù)據(jù)傳輸速率能夠達(dá)到Gb/s以上；（4）激光通信需要精密的光學(xué)、結(jié)構(gòu)、電子學(xué)與其配套，可以帶動(dòng)多個(gè)學(xué)科的綜合發(fā)展；（5）激光通信的大規(guī)模發(fā)展應(yīng)用還需要解決很多關(guān)鍵技術(shù)，如高效能光學(xué)天線、高精度ATP系統(tǒng)、大氣影響、高效調(diào)制技術(shù)、高性能激光器、穩(wěn)定的發(fā)射和接收平臺(tái)等。結(jié)論：具有高速、高帶寬、抗截獲、抗干擾、輕小型等諸多特點(diǎn)為一體激光通信系統(tǒng)必將成為未來(lái)空間通信的首選模式，作為發(fā)達(dá)國(guó)家研制的每個(gè)終端載荷都值得深入學(xué)習(xí)與借鑒。全面分析了國(guó)內(nèi)外的研究狀況，指出激光通信面臨的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題和未來(lái)激光通信發(fā)展的趨勢(shì)和方向。為激光通信設(shè)備及其相關(guān)領(lǐng)域儀器研制和研究提供了一定的參考。

來(lái)源出版物：中國(guó)光學(xué), 2013, 6(5): 670-680

入選年份：2016

從Pleiades剖析新一代高性能小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展

徐偉，樸永杰

摘要：目的：隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，空間遙感已得到各領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用，發(fā)展該項(xiàng)技術(shù)是增強(qiáng)我國(guó)經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科技實(shí)力、國(guó)防實(shí)力和民族凝聚力的重要舉措。在深入剖析新一代極限性能高分辨小衛(wèi)星Pleiades的基礎(chǔ)上，探索以載荷為中心的國(guó)際高性能新型衛(wèi)星技術(shù)體制。方法：詳細(xì)梳理和分析Pleiades衛(wèi)星的技術(shù)特點(diǎn)，以其高空間分辨率、觀測(cè)靈活性以及數(shù)據(jù)獲取模式為核心，分析載荷與平臺(tái)的一體化、集成化、多功能化設(shè)計(jì)理念與方法。包括多星組網(wǎng)軌道分布優(yōu)化設(shè)計(jì)提升快速重訪能力；采用同軸大F數(shù)TMA光學(xué)系統(tǒng)結(jié)合大像元TDI CCD應(yīng)用實(shí)現(xiàn)高信噪比及高空間分辨率成像；利用分光方式實(shí)現(xiàn)全色及多光譜焦平面的一體化，通過(guò)亞像元拼接進(jìn)而實(shí)現(xiàn)超分辨；以綜合管理單元為核心，通過(guò)統(tǒng)一的接口和總線實(shí)現(xiàn)整星電子學(xué)一體化；利用以金字塔構(gòu)型安裝的控制力矩陀螺作為執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)整星快速機(jī)動(dòng)。并在此基礎(chǔ)上，提出了包括CMOS TDI模式成像技術(shù)、高動(dòng)態(tài)范圍視頻成像技術(shù)、基于可重構(gòu)模塊的柔性化集成技術(shù)、基于軟件總線的星載軟件設(shè)計(jì)技術(shù)以及星載一體化設(shè)計(jì)技術(shù)等創(chuàng)新型衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展方向。結(jié)果：對(duì)Pleiades進(jìn)行深入分析，進(jìn)而歸納其核心關(guān)鍵技術(shù)所達(dá)到的效果如下。（1）Pleiades采用相位差為 180°的組網(wǎng)方式運(yùn)營(yíng)，雙星星座可實(shí)現(xiàn)對(duì)任意點(diǎn)每日觀測(cè)。（2）光學(xué)系統(tǒng)采用同軸三反系統(tǒng)（TMA）結(jié)合大F數(shù)（20）的理念優(yōu)化設(shè)計(jì)，通過(guò)敏捷機(jī)動(dòng)能力擴(kuò)展成像范圍。（3）成像單元集視頻信號(hào)處理等眾多功能為一體，且采用亞像元拼接的方式進(jìn)行超分辨，由于焦平面局部傳感器數(shù)量的增多，因此利用分光技術(shù)將焦平面進(jìn)行分解以實(shí)現(xiàn)視場(chǎng)拼接。（4）整星電子學(xué)系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)理念，以綜合管理單元為核心，通過(guò)統(tǒng)一的接口和總線與星上設(shè)備直接相連，除完成常規(guī)星務(wù)管理任務(wù)外，還承擔(dān)著有效載荷管理、姿態(tài)與軌道控制、熱控及電源管理以及遙測(cè)遙控等任務(wù)，真正實(shí)現(xiàn)了整星一體化管理。（5）采用4個(gè)以金字塔構(gòu)型安裝的單框架控制力矩陀螺作為其主要執(zhí)行機(jī)構(gòu)。每個(gè)控制力矩陀螺最大可達(dá)45 Nm的輸出力矩可保證整星具備快速的姿態(tài)機(jī)動(dòng)能力。在此基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)實(shí)際工程研發(fā)能力，在高分辨衛(wèi)星領(lǐng)域提出如下創(chuàng)新研究思路。（1）CMOS TDI模式成像。CMOS傳感器集成度高、成本低、功耗小、抗輻照能力強(qiáng)，具有航天應(yīng)用前景，借助于FPGA強(qiáng)大的邏輯處理能力，可通過(guò)采用逐行疊加的卷簾數(shù)字域 TDI 算法實(shí)現(xiàn)CMOS的高分辨力高信噪比TDI成像。（2）高動(dòng)態(tài)范圍視頻成像技術(shù)。基于優(yōu)化改進(jìn)多次曝光技術(shù)的高動(dòng)態(tài)范圍視頻載荷可將高幀頻成像傳感器輸出的多幀低動(dòng)態(tài)范圍視頻幀融合為一幅高動(dòng)態(tài)范圍圖像，最終形成幀頻大于25 fps的高動(dòng)態(tài)范圍視頻序列，以適應(yīng)航天遙感領(lǐng)域不同的光照條件。（3）基于軟件總線的星載軟件設(shè)計(jì)技術(shù)。星載軟件系統(tǒng)中總線上的各功能組件彼此之間相互獨(dú)立，僅通過(guò)軟件進(jìn)行數(shù)據(jù)交互；軟件總線又直接與底層操作系統(tǒng)及外部數(shù)據(jù)接口相連。只需通過(guò)配置組件列表即可實(shí)現(xiàn)軟件重構(gòu)，從而快速完成系統(tǒng)軟件開(kāi)發(fā)工作。（4）星載一體化設(shè)計(jì)技術(shù)。星載一體化是以載荷為中心，圍繞載荷布局展開(kāi)設(shè)計(jì)，在進(jìn)行載荷和平臺(tái)的設(shè)計(jì)時(shí)兼顧對(duì)方利益，通過(guò)采用光、機(jī)、熱一體化設(shè)計(jì)與分析手段完成對(duì)整星結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使系統(tǒng)整體的性能最優(yōu)。結(jié)論：具有高空間分辨率、高時(shí)間分辨率、高光譜分辨率、高機(jī)動(dòng)能力、高集成化等諸多特點(diǎn)為一體的高性能小衛(wèi)星發(fā)展趨勢(shì)已經(jīng)形成，作為新一代極限性能高分辨小衛(wèi)星Pleiades值得深入學(xué)習(xí)與借鑒。有針對(duì)性地剖析了Pleiades在軌道、光學(xué)系統(tǒng)、焦平面、電子學(xué)、姿態(tài)控制等多方面所采用的先進(jìn)技術(shù)和設(shè)計(jì)理念，并在此基礎(chǔ)上提出了適應(yīng)國(guó)情的高性能平臺(tái)載荷一體化衛(wèi)星創(chuàng)新技術(shù)研究及發(fā)展方向。

來(lái)源出版物：中國(guó)光學(xué), 2013, 6(1): 9-19

入選年份：2016

光場(chǎng)相機(jī)成像模型及參數(shù)標(biāo)定方法綜述

張春萍，王慶

摘要：光場(chǎng)相機(jī)成像模型與參數(shù)標(biāo)定方法是擴(kuò)展光場(chǎng)應(yīng)用的理論基礎(chǔ)和關(guān)鍵環(huán)節(jié)，已成為計(jì)算光場(chǎng)領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。不同于傳統(tǒng)相機(jī)的成像原理，光場(chǎng)相機(jī)通過(guò)新穎的光學(xué)系統(tǒng)將場(chǎng)景中的光線按照某種給定關(guān)系與圖像傳感器像元進(jìn)行對(duì)應(yīng)，實(shí)現(xiàn)對(duì)三維空間中光線位置和角度信息的采樣與記錄，可通過(guò)計(jì)算攝影學(xué)恢復(fù)場(chǎng)景的三維結(jié)構(gòu)。利用對(duì)光場(chǎng)相機(jī)標(biāo)定中的成像與參數(shù)化模型進(jìn)行了分析，比較了不同物理參數(shù)設(shè)置對(duì)光場(chǎng)采樣結(jié)果的影響；分析了光場(chǎng)相機(jī)的光線提取與校正方法、參數(shù)標(biāo)定模型、誤差定義與精度度量等主要問(wèn)題，并對(duì)相機(jī)參數(shù)標(biāo)定方法進(jìn)行了歸納與總結(jié)。空間中光線可用七維全光函數(shù)表述，用以描述隨位置、角度、時(shí)間以及波長(zhǎng)變化的空間連續(xù)光場(chǎng)信號(hào)。若假設(shè)光線在自由空間中傳播，且忽略傳播中的能量衰減，任意時(shí)刻的空間光線可由四維函數(shù)參數(shù)化表示，衍生出了球面點(diǎn)對(duì)、點(diǎn)球、點(diǎn)切、雙柱面等參數(shù)化模型。由于雙平面模型具有采樣模型簡(jiǎn)單，參數(shù)化方便的特點(diǎn)，現(xiàn)有光場(chǎng)采集設(shè)備均基于雙平面模型。現(xiàn)有采樣光路模型包括 Plenoptic 1.0和Plenoptic 2.0。Plenoptic 1.0通過(guò)在圖像傳感器平面與主透鏡平面之間加裝微透鏡陣列，控制圖像傳感器與微透鏡陣列距離為微透鏡一倍焦距的方式，實(shí)現(xiàn)對(duì)光線角度維的采樣。其中，光場(chǎng)位置分辨率等于微透鏡陣列中的微透鏡數(shù)，角度分辨率等于單個(gè)微透鏡覆蓋的像素?cái)?shù)?？紤]到現(xiàn)有微透鏡制備工藝的限制，這種光路設(shè)計(jì)存在圖像分辨率低且不可調(diào)節(jié)的問(wèn)題。在此基礎(chǔ)上，Plenoptic 2.0通過(guò)調(diào)節(jié)微透鏡陣列的位置，控制傳感器對(duì)主透鏡的成像進(jìn)行二次聚焦或者提前聚焦，達(dá)到光場(chǎng)角度采樣的目的。該模型采樣光場(chǎng)的角度分辨率與主鏡頭、微透鏡陣列、圖像傳感器的相對(duì)安裝位置有關(guān)，因此可通過(guò)調(diào)節(jié)安裝參數(shù)來(lái)靈活改變光場(chǎng)分辨率，但仍存在角度與位置分辨率的折衷瓶頸。光場(chǎng)相機(jī)的參數(shù)標(biāo)定是高精度場(chǎng)景重建的前提。針對(duì)參數(shù)標(biāo)定問(wèn)題，現(xiàn)有方法包括光場(chǎng)模型建立、光線特征提取、光線畸變矯正以及參數(shù)求解與優(yōu)化等部分。在光場(chǎng)模型方面，現(xiàn)有主流方法均基于雙平面模型對(duì)光場(chǎng)進(jìn)行參數(shù)化，而對(duì)于雙平面的參數(shù)定義以及位置描述存在差異。光線特征的提取是成像信息與先驗(yàn)信息建立關(guān)系的紐帶，常用的特征主要包括點(diǎn)特征與線特征。由于光場(chǎng)相機(jī)在記錄光線空間信息的同時(shí)記錄了角度信息，故其畸變模型更為復(fù)雜，除了要考慮鏡頭徑向畸變和視點(diǎn)畸變，還需考慮場(chǎng)景恢復(fù)的深度畸變。現(xiàn)有方法主要通過(guò)對(duì)光線的傳播過(guò)程或成像規(guī)律進(jìn)行分析，以建立數(shù)學(xué)模型并對(duì)其進(jìn)行參數(shù)求解，而對(duì)于光場(chǎng)誤差的定義形式多樣，常用的誤差函數(shù)包括重投影誤差與點(diǎn)重建誤差等，但必須保證其收斂結(jié)果能夠唯一約束光場(chǎng)模型參數(shù)。光場(chǎng)相機(jī)突破了傳統(tǒng)數(shù)字成像的局限，能夠采樣并記錄光線的位置和角度信息，為解決計(jì)算機(jī)視覺(jué)問(wèn)題提供了更有力的工具和途徑。但受限于成像原理和傳感器制備工藝，其較低的位置分辨率和較小的角度采樣范圍限制了光場(chǎng)相機(jī)的應(yīng)用，故研究光場(chǎng)相機(jī)標(biāo)定方法和光場(chǎng)參數(shù)化方法，是增強(qiáng)和拓寬現(xiàn)有光場(chǎng)成像性能及其應(yīng)用的核心問(wèn)題?，F(xiàn)有標(biāo)定模型和方法尚處于起步階段，在光場(chǎng)相機(jī)標(biāo)定的誤差分析和精確度度量、多視光場(chǎng)重參數(shù)化理論與重采樣方法等方面需要更加有效的解決方案。

來(lái)源出版物：中國(guó)激光, 2016, 43(6): 262-273

入選年份：2016

高速切換緊湊型雙視場(chǎng)無(wú)熱化紅外光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曲賀盟，張新

摘要：目的：隨著紅外探測(cè)技術(shù)的快速發(fā)展，高分辨紅外成像技術(shù)在遙感、導(dǎo)引及導(dǎo)航方面應(yīng)用需求越來(lái)越廣泛。但是由于現(xiàn)今探測(cè)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)性能越來(lái)越高，隱身性能也越來(lái)越好，導(dǎo)致傳統(tǒng)紅外探測(cè)手段難以滿足針對(duì)目標(biāo)的有效探測(cè)和精準(zhǔn)跟蹤。因此發(fā)展一種大視場(chǎng)短焦距用于搜索目標(biāo)，小視場(chǎng)長(zhǎng)焦距用于判別和精準(zhǔn)跟蹤目標(biāo)，同時(shí)在目標(biāo)搜索和跟蹤過(guò)程中，光學(xué)系統(tǒng)高速切換，保證在視場(chǎng)切換過(guò)程中目標(biāo)不丟失，且具有良好的環(huán)境適應(yīng)性的雙視場(chǎng)紅外探測(cè)技術(shù)十分必要。方法：針對(duì)目前長(zhǎng)波紅外探測(cè)光學(xué)系統(tǒng)輕小型、高性能、高速視場(chǎng)切換和高環(huán)境適應(yīng)性的要求，采用光學(xué)元件切入切出變倍方式，設(shè)計(jì)了工作波段7.7～10.3 μm，焦距28～128 mm，F(xiàn)數(shù)1.67的長(zhǎng)波紅外光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)長(zhǎng)焦端遠(yuǎn)射比達(dá)到了1，同時(shí)采用二次成像結(jié)構(gòu)形式，在一次像面處加入視場(chǎng)光闌，有效的提高了光學(xué)系統(tǒng)雜散輻射抑制能力，采用電磁閥變倍方式，實(shí)現(xiàn)60 ms的光學(xué)系統(tǒng)變倍速度，針對(duì)光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化要求，采用光學(xué)被動(dòng)消熱差方式，通過(guò)不同材料的匹配使系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了-40℃～＋50℃的無(wú)熱化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果在空間頻率20 lp/mm處各視場(chǎng)調(diào)制傳遞函數(shù)接近衍射極限。在-40℃～＋50℃溫度范圍內(nèi)成像質(zhì)量沒(méi)有明顯下降。結(jié)果：由于總體對(duì)光學(xué)系統(tǒng)尺寸嚴(yán)格限制，系統(tǒng)前固定組采用折射率較大的Ge透鏡，同時(shí)為了減小其引入像差，在內(nèi)表面加入非球面設(shè)計(jì)。變倍組和二次成像鏡組單獨(dú)設(shè)計(jì)，變倍組變倍比為 4.6，優(yōu)化時(shí)控制變倍組口徑。二次成像鏡組焦距為9.9 mm，光學(xué)系統(tǒng)孔徑光闌位于探測(cè)器冷闌位置，系統(tǒng)入瞳位于前固定組。為了滿足系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)和消色差，系統(tǒng)采用了Ge和ZnSe兩種材料，前固定組采用一片高折射率低色散的 Ge材料單透鏡，目的是增加前固定組光焦度，減小后組口徑；變倍組選擇兩片透鏡，均為折射率較高 Ge材料，第一片為負(fù)透鏡，第二片為正透鏡，光焦度正負(fù)分離以校正前固定組殘留較大像差；后固定組采用單透鏡，材料為Ge，規(guī)劃為負(fù)光焦度，雖然相比于選擇 ZnSe在色差校正方面相對(duì)較差，但是在無(wú)熱化過(guò)程中為保證一次成像鏡組在溫度變化時(shí)的光焦度，負(fù)光焦度Ge材料更具優(yōu)勢(shì)。二次成像鏡組采用3片透鏡，分別為Ge、ZnSe和Ge，用以補(bǔ)償前組剩余的高級(jí)像差。其中 ZnSe以其較小的阿貝數(shù)和起到校正系統(tǒng)色差和平衡熱差的作用。系統(tǒng)采用2個(gè)非球面，分別位于透鏡1后表面和透鏡4前表面，非球面的加入是為了校正系統(tǒng)球差和像散，以提高光學(xué)系統(tǒng)整體成像質(zhì)量。系統(tǒng)鏡筒選擇三段式，前、后組鏡筒為線脹系數(shù)較大的鋁合金材料，目的是保證在溫度變化時(shí)系統(tǒng)前、后組焦距變化量較小；前、后鏡筒中間連接段選擇線脹系數(shù)較小的鈦合金材料，目的是保證在溫度變化時(shí)前組焦距變化對(duì)后組的物距影響最小，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的無(wú)熱化設(shè)計(jì)。從光學(xué)系統(tǒng)大小視場(chǎng)不同溫度的調(diào)制傳遞函數(shù)，可以看出不同溫度下光學(xué)系統(tǒng)傳遞函數(shù)接近衍射極限，因此可以證明光學(xué)系統(tǒng)在-40℃～＋50℃溫度范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)了無(wú)熱化設(shè)計(jì)。結(jié)論：基于288×4紅外長(zhǎng)波制冷探測(cè)器設(shè)計(jì)了一種緊湊型無(wú)熱化雙視場(chǎng)紅外光學(xué)系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)射比1，F(xiàn)數(shù)1.67，通過(guò)光學(xué)元件切換變倍方式，配合電磁閥切換機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)了60 ms的系統(tǒng)變倍速度，同時(shí)采用光學(xué)被動(dòng)補(bǔ)償方式，在不增大系統(tǒng)體量的前提下，實(shí)現(xiàn)了-40℃～＋50℃溫度范圍內(nèi)的光學(xué)系統(tǒng)無(wú)熱化設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)結(jié)果表明：光學(xué)系統(tǒng)大小視場(chǎng)成像質(zhì)量接近衍射極限，在-40℃～＋50℃溫度范圍內(nèi)成像質(zhì)量無(wú)明顯變化，滿足總體指標(biāo)要求。

來(lái)源出版物：中國(guó)光學(xué), 2014, 7(4): 622-630

入選年份：2016

用于圖像拼接的電視攝像光學(xué)系統(tǒng)

史光輝，楊威

摘要：目的：在軍事偵查、多目標(biāo)彈道測(cè)量、機(jī)場(chǎng)安全和體育報(bào)道等方面，需要大視場(chǎng)、高角分辨率、低畸變、照度均勻的 CCD電視攝像。用現(xiàn)有的電視攝像技術(shù)是無(wú)法做到的。如果能有一項(xiàng)攝像技術(shù)，能將景物分成多個(gè)部份分別成像，然后再合在一起，就能解決這一市場(chǎng)需求。實(shí)現(xiàn)這一技術(shù)的關(guān)鍵是要有一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)能將景物分成多個(gè)部分，然后分別成像，各圖像中的景物是互相銜接的，然后再用圖像處理技術(shù)解將其拼接成一幅圖像。方法：光學(xué)系統(tǒng)由單心球透鏡、中繼物鏡陣列和CCD陣列組成。成像的過(guò)程是，首先將無(wú)限遠(yuǎn)的景物經(jīng)單心球透鏡成一個(gè)球面像，其球心位在球透鏡的球心上。然后將此球面像分成N×N或N×M個(gè)等份。在球面像的后面的中繼物鏡陣列中的每一個(gè)中繼物鏡解其對(duì)應(yīng)的一部分球面像，分別成像到各自對(duì)應(yīng)的CCD像面上。最后利用電視圖像處理技術(shù)將N×N或N×M個(gè)像合成一個(gè)像。因?yàn)榇笠晥?chǎng)是靠多塊 CCD實(shí)現(xiàn)的，因此不必將焦距縮小，所以能夠?qū)崿F(xiàn)高角分辨率。當(dāng)然，還需要校正好光學(xué)系統(tǒng)的像差。這是可以做到的。由于球透鏡只產(chǎn)生色差和球差，這能夠用改變半徑之間的間隔和光學(xué)材料的辦法校正好。而中繼物鏡的視場(chǎng)比較小，因此畸變可以很小，像差也可以校正得比較好，因?yàn)槊恳粋€(gè)中繼物鏡的光軸都通過(guò)球透鏡的球心，所以各中繼物鏡的光路完全相同，因而各光路互相對(duì)應(yīng)的光線的光程差也都相同，這樣就會(huì)使成在各 CCD像面上的像的質(zhì)量相同。將由每一個(gè)中繼物鏡的孔徑光欄和視場(chǎng)光欄形成的光管，能夠做到準(zhǔn)確地成像，加上電視圖像處理技術(shù)，最后拼接成的圖像不會(huì)丟失景物細(xì)節(jié)，將孔徑光欄設(shè)在中繼物鏡的前組上，可以使各路像面的照度相同。總之，這個(gè)光學(xué)系統(tǒng)能夠保實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)、高角分辨率、低畸變、照度均勻成像結(jié)果：這一光學(xué)系統(tǒng)已成功地應(yīng)用到由中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所于 1994年研制成功的多目標(biāo)彈道測(cè)量相機(jī)中。中繼物鏡陣列為 3×3、視場(chǎng)為 28.67°×17.05°、焦距 63.04 mm、入瞳直徑30 mm，光點(diǎn)直徑0.027 mm，光點(diǎn)的包圍能量達(dá)到90%以上。幾何畸變0.7 μm。各項(xiàng)指標(biāo)都達(dá)到了要求。此外為了說(shuō)明這一技術(shù)的應(yīng)用前景，按此原理和方法還設(shè)計(jì)出一個(gè)中繼物鏡陣列為 20×20的光學(xué)系統(tǒng)、其焦距為457.9 mm、視場(chǎng)為120°×104.8°、像素為85億、角分辨率為8′。將陣列改成20×10后，用這樣的3個(gè)系統(tǒng)還可以實(shí)現(xiàn)360°×53.4°；全景式，高分辨率攝像。整個(gè)圖像是由 600個(gè)圖像拼接成的。這項(xiàng)成果于 1996年獲得了國(guó)家發(fā)明專(zhuān)利。結(jié)論：對(duì)多目標(biāo)彈道測(cè)量相機(jī)進(jìn)行外景攝像試驗(yàn)表明，在圖像中沒(méi)有發(fā)現(xiàn)拼接痕跡，圖像質(zhì)量也比較好。該相機(jī)已實(shí)際應(yīng)用。因此，這一用于電視圖像拼接的光學(xué)系統(tǒng)是成功的。

來(lái)源出版物：中國(guó)光學(xué), 2014, 7(4): 638-643

入選年份：2016

目標(biāo)跟蹤技術(shù)綜述

高文，朱明，賀柏根，等

摘要：目的：目標(biāo)跟蹤技術(shù)一直是計(jì)算機(jī)視覺(jué)研究領(lǐng)域中的熱點(diǎn)之一，其在軍事偵察、精確制導(dǎo)、火力打擊、戰(zhàn)場(chǎng)評(píng)估以及安防監(jiān)控等諸多方面均有廣泛的應(yīng)用前景。目標(biāo)的不定向運(yùn)動(dòng)改變了目標(biāo)和場(chǎng)景的外觀模式，非剛性目標(biāo)結(jié)構(gòu)、目標(biāo)間及目標(biāo)與場(chǎng)景間的遮擋、攝像機(jī)的運(yùn)動(dòng)等情況使目標(biāo)跟蹤任務(wù)變得更加困難。本文主要論述單目標(biāo)跟蹤問(wèn)題，從目標(biāo)跟蹤的應(yīng)用、目標(biāo)表示法、跟蹤方法研究現(xiàn)狀、難點(diǎn)及趨勢(shì)等方面進(jìn)行展開(kāi)討論，希望能夠給更多從事相關(guān)領(lǐng)域?qū)W習(xí)研究的同仁們提供一些思路和幫助。方法：（1）跟蹤技術(shù)的應(yīng)用方面：目標(biāo)跟蹤在智能視頻監(jiān)控、人機(jī)交互、機(jī)器人視覺(jué)導(dǎo)航、虛擬現(xiàn)實(shí)、醫(yī)學(xué)診斷等諸多方面都有著廣泛的應(yīng)用。（2）目標(biāo)表示方法：目標(biāo)能否準(zhǔn)確有效的表示對(duì)于目標(biāo)跟蹤至關(guān)重要，歸納起來(lái)包括描述節(jié)點(diǎn)形狀的點(diǎn)、幾何形狀、鏈狀模型、骨骼模型、物體剪影和輪廓等方法以及基于外觀表示的物體外觀的概率密度、模板、主動(dòng)外觀模型、多視角外觀模型等方法。（3）目標(biāo)跟蹤技術(shù)的研究現(xiàn)狀：目標(biāo)跟蹤可以依據(jù)目標(biāo)類(lèi)型分為點(diǎn)目標(biāo)跟蹤和對(duì)于目標(biāo)占有一定區(qū)域有紋理輪廓等特征的目標(biāo)跟蹤兩種情況，對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)跟蹤，文中介紹了確定性方法和統(tǒng)計(jì)學(xué)方法，而對(duì)于目標(biāo)占有一定區(qū)域有紋理輪廓等特征的目標(biāo)跟蹤可分為基于特征點(diǎn)檢測(cè)的方法、基于背景相減的幀差法、基于分割思想的方法、基于監(jiān)督學(xué)習(xí)的方法及基于目標(biāo)形狀輪廓等特征的方法，文中分析了基于Moravec、Harris、KLT和SIFT等具有代表性的特征跟蹤方法的優(yōu)劣，并對(duì)幀差法從簡(jiǎn)單的兩幀或者多幀相減到高斯估計(jì)、無(wú)參數(shù)內(nèi)核密度估計(jì)、隱式馬爾科夫模型、特征空間分解等的發(fā)展進(jìn)行了介紹，概述了具有代表性的Meanshift、Graph-Cuts、主動(dòng)輪廓等基于分割思想的目標(biāo)跟蹤方法，簡(jiǎn)要說(shuō)明了自適應(yīng)增強(qiáng)、支持向量機(jī)等基于監(jiān)督學(xué)習(xí)的目標(biāo)跟蹤方法，最后從模板和基于密度的外觀模型的跟蹤、用多視覺(jué)的外觀模型跟蹤、形狀匹配、輪廓跟蹤4個(gè)方面對(duì)基于目標(biāo)的形狀輪廓等特征的目標(biāo)跟蹤方法進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明。結(jié)果：通過(guò)對(duì)于目標(biāo)跟蹤的應(yīng)用方面的闡述可以看出目標(biāo)跟蹤的應(yīng)用價(jià)值及學(xué)術(shù)研究?jī)r(jià)值，對(duì)于目標(biāo)表示方法以及跟蹤的研究現(xiàn)狀的說(shuō)明，對(duì)于同一個(gè)目標(biāo)有多種不同的解決方法和思路，每種都有其優(yōu)勢(shì)也有不足之處。結(jié)論：近年來(lái)目標(biāo)跟蹤技術(shù)發(fā)展取得了很大進(jìn)步，研發(fā)出了多個(gè)性能優(yōu)良的跟蹤器，可以在簡(jiǎn)單場(chǎng)景中實(shí)時(shí)跟蹤目標(biāo)。應(yīng)用假設(shè)可以使跟蹤的問(wèn)題簡(jiǎn)單化（如平滑的運(yùn)動(dòng)、少量阻塞、光照恒定性、高對(duì)比度背景等），但這些假設(shè)在現(xiàn)實(shí)場(chǎng)景中是不存在的，限制了其在自動(dòng)化監(jiān)控、人機(jī)交互、視頻檢索、交通監(jiān)控、車(chē)輛導(dǎo)航等應(yīng)用領(lǐng)域的應(yīng)用。發(fā)展不受約束、長(zhǎng)期穩(wěn)定的目標(biāo)跟蹤算法是未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)也是挑戰(zhàn)。因此，研究更有效的目標(biāo)表示方法以及目標(biāo)相似性度量方法以適應(yīng)目標(biāo)的外觀變化是重要的研究方向。

來(lái)源出版物：中國(guó)光學(xué), 2014, 7(3): 365-375

入選年份：2016

計(jì)算全息圖補(bǔ)償檢測(cè)離軸非球面中的投影畸變校正技術(shù)

曾雪鋒，閆鋒，薛棟林，等

摘要：目的：研究、研制、調(diào)查等的前提、目的和任務(wù)，所涉及的主題范圍；隨著光學(xué)系統(tǒng)應(yīng)用需求提升，光學(xué)元件面形復(fù)雜性越來(lái)越高，檢測(cè)難度越來(lái)越大，計(jì)算全息圖（computer-generated hologram，CGH）補(bǔ)償檢測(cè)是一種高效、高精度解決手段。結(jié)合微電子技術(shù)發(fā)展，計(jì)算全息圖被越來(lái)越廣泛的用于光學(xué)元件檢測(cè)。利用計(jì)算全息圖補(bǔ)償干涉檢測(cè)離軸非球面會(huì)引入二維投影畸變，此二維投影畸變會(huì)導(dǎo)致干涉檢測(cè)結(jié)果二維分布與鏡面誤差實(shí)際分布非線性相關(guān)，導(dǎo)致難以開(kāi)展高效的確定性光學(xué)加工。提出了基于檢測(cè)光路仿射變換的投影畸變校正方法。通過(guò)追跡檢測(cè)光路求解畸變映射函數(shù)，借助鏡面特征點(diǎn)實(shí)現(xiàn)畸變校正結(jié)果與鏡面的高精度對(duì)準(zhǔn)，利用校驗(yàn)特征點(diǎn)實(shí)現(xiàn)校正誤差檢驗(yàn)。方法：所用的原理、理論、條件、對(duì)象、材料、工藝、結(jié)構(gòu)、手段、裝備、程序等；通過(guò)分析非球面補(bǔ)償干涉檢測(cè)光路模型，推導(dǎo)基于偶次多項(xiàng)式描述的非球面補(bǔ)償干涉檢測(cè)投影畸變映射關(guān)系?；趯?shí)際參數(shù)修正的光路模型，結(jié)合仿射變換的數(shù)學(xué)方法，建立投影畸變映射函數(shù)，用以計(jì)算并校正非球面補(bǔ)償檢測(cè)過(guò)程的投影畸變。首先，通過(guò)計(jì)算檢測(cè)光路中給定沿被檢面法線出射光線與補(bǔ)償器端面交點(diǎn)坐標(biāo)，建立映射關(guān)系，建立被檢面光線交點(diǎn)與補(bǔ)償器的光線交點(diǎn)二維非線性映射函數(shù)。在調(diào)整好的干涉檢測(cè)系統(tǒng)中，沿理想鏡面某點(diǎn)法向光線將會(huì)與 CGH有相應(yīng)交點(diǎn)，只需計(jì)算鏡面法向光線與 CGH的交點(diǎn)即可建立鏡面與CGH映射關(guān)系。然后，借助在鏡面上少量特征點(diǎn)，求解干涉儀焦面坐標(biāo)系與CGH坐標(biāo)系仿射變換參數(shù)。為求解仿射變換參數(shù)，需要掌握CCD和CGH平面至少兩對(duì)點(diǎn)的坐標(biāo)，據(jù)此擬合求解仿射變換參數(shù)，為此通過(guò)三坐標(biāo)等設(shè)備獲得鏡面特征點(diǎn)的空間坐標(biāo)，基于質(zhì)心算法計(jì)算對(duì)應(yīng)特征點(diǎn)在干涉檢測(cè)結(jié)果中的像素坐標(biāo)。基于求解仿射變換平移、旋轉(zhuǎn)、縮放參數(shù)，結(jié)合非球面與補(bǔ)償器端面非線性映射關(guān)系函數(shù)，從而構(gòu)建檢測(cè)結(jié)果與被檢非球面二維投影畸變映射函數(shù)?；谕队盎冇成浜瘮?shù)則可以將干涉檢測(cè)結(jié)果的像素坐標(biāo)變換為鏡面坐標(biāo)系下的幾何坐標(biāo)，實(shí)現(xiàn)投影畸變的高精度校正，用于光學(xué)加工文件計(jì)算和加工定位。結(jié)果：分析了計(jì)算全息補(bǔ)償干涉檢測(cè)離軸非球面的二維投影畸變產(chǎn)生過(guò)程，分析了補(bǔ)償干涉檢測(cè)光路模型，將畸變校正建立在干涉儀焦面到補(bǔ)償器平面和鏡面到補(bǔ)償器平面兩部分過(guò)程上。推導(dǎo)了并給出了偶次多項(xiàng)式描述的非球面補(bǔ)償干涉檢測(cè)投影畸變映射函數(shù)，建立了干涉儀焦面到補(bǔ)償器平面和鏡面到補(bǔ)償器平面兩部分的坐標(biāo)仿射變換映射關(guān)系，并借助鏡面特征點(diǎn)自檢測(cè)畸變校正誤差。提出的投影畸變校正技術(shù)被用于離軸非球面的加工、檢測(cè)過(guò)程，該反射鏡采用計(jì)算全息圖補(bǔ)償檢測(cè)。通過(guò)鏡面設(shè)置的特征點(diǎn)給出了校正誤差，理論分析得出校正誤差為像素級(jí)，針對(duì)實(shí)驗(yàn)反射鏡，實(shí)驗(yàn)得出校正誤差最大值為0.8761 mm，檢測(cè)精度遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于傳統(tǒng)的畸變標(biāo)定方法。能夠滿足離子束拋光、磁流變拋光等點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的確定性加工技術(shù)的數(shù)據(jù)定位精度需求。根據(jù)畸變校正后面形文件，試驗(yàn)件經(jīng)過(guò)離子束拋光，面形精度從0.068 λ RMS收斂到0.0162 λ RMS（λ＝0.6328 μm）。結(jié)論：光學(xué)元件補(bǔ)償干涉檢測(cè)會(huì)存在二維投影畸變，此投影畸變與補(bǔ)償檢測(cè)光路設(shè)計(jì)緊密相關(guān)，提出的投影畸變校正方法就是基于實(shí)際檢測(cè)光路模型，通過(guò)建立檢測(cè)結(jié)果與實(shí)際面形仿射變換函數(shù)關(guān)系，通過(guò)該畸變校正方法可以將補(bǔ)償干涉檢測(cè)獲得的面形誤差分布高精度地恢復(fù)到鏡面實(shí)際位置上，誤差位置恢復(fù)精度達(dá)到檢測(cè)像素級(jí)別。通過(guò)高精度的二維投影畸變校正，實(shí)現(xiàn)高精度誤差復(fù)位，為指導(dǎo)確定性光學(xué)加工提供指導(dǎo)。

來(lái)源出版物：中國(guó)激光, 2013, 40(11): 229-233

入選年份：2016