自适应光学

一、前言

自适应光学是20世纪50年代以来迅速发展起来的光学新技术，在高分辨率天文观测、高能激光武器、激光通讯，激光核聚变，医学等方面的应用越来越广泛。

自适应光学系统能实时探测由大气扰动、环境温度起伏、光轴抖动等因素造成的波面畸变，并通过光学校正系统实时补偿波面误差，现代地基、天基大型望远镜几乎都采用了自适应光学系统。

近年来，随着自适应光学理论与技术的发展，它已被广泛地应用于军事及民用领域，如用于光学遥感载荷多种误差源的实时校正以提高载荷的成像分辨率；用于激光通信的大气扰动补偿；用于激光可控热核聚变实验，提高靶标上的光功率密度；用于医用光学仪器，实现人眼视网膜的高分辨率成像等。

由于大气的湍流运动，大气温度的随机变化产生大气密度的随机变化，从而导致大气折射率的随机变化，这些变化的累积效应导致大气折射率的明显不均匀性，大气折射率微小变化的作用类似于处在大气中的小“透镜”，它们使传输光束出现聚焦、偏折等现象，从而导致光闪烁和光抖动等效应。这些“透镜”的大小近似于湍流漩涡的尺度。大气湍流对光传播的影响，最早反映在天文观测中。湍流的影响严重地限制了大口径天文望远镜分辨率的提高。

1953年，美国天文学家巴布科克提出用实时测量波面误差并实时加以校正的方法来解决大气湍流等动态干扰的设想，如果这一过程足够快，就可以克服动态误差的影响而使光学系统能够自动适应环境

变化，保持理想性能，就是自适应光学((Adaptive OpticsAO)思想的形成，但在当时还没有实现这一设想的现成技术。

本世纪60年代出现了激光，激光的高方向性和高亮度的特点推动人们去进行用强激光作为武器的研究。与观测系统一样，激光武器系统也面临着大气干扰使能量分散的问题。用直径4m的发射系统通过大气发射波长1um的强激光到目标上，即使没有其他误差，只有大气湍流的影响，光斑中心的能量密度只有衍射极限的千分之一，动态干扰也成了实现激光武器的一个重大技术障碍。

到了70年代，高分辨率观测和高集中度激光能量传输的发展，更加迫切地要求解决动态干扰问题，相关技术的发展，也使自适应光学的实现成为可能。

从70年代中期开始自适应光学的研究才真正起步。在1972年，美国研制出了第一套实时大气补偿成像实验系统。这个系统在300米水平光路上成功地对大气湍流效应进行了补偿，经补偿后的图像分辨率接近衍射极限。

1990年以前，美国的自适应光学研究主要服务于军事应用。1982年在夏威夷附近的空军毛伊(Maui)岛光学站上，美国安装了世界上第一台实用的1.6米自适应光学望远镜，用来观察近地轨道上运行的空间目标(卫星，助推器及其残骸)，利用其形态特性进行识别和分类。

该系统在可见光波段(0.4～0.7微米)工作，有168个子孔径，波前传感器为横向交变剪切干涉仪，波前校正元件为168单元整体式压电变形镜，采样频率为10000赫兹，带宽为200-1000赫兹，探测

灵敏度达7等星。在805公里的距离上系统的分辨率可达0.3米，即0.07角秒，表明该系统在1.6米口径的和0.6微米工作波长的情况下达到衍射极限的成像质量。

与此同时也以强激光武器为背景开展了大量的研究工作，从1985年到1990年先后对飞机、火箭和航天飞机进行激光发射的大气湍流补偿校正试验。1990年还专门发射了名叫“低功率大气补偿实验”(LACE)卫星，用来验证自适应光学对激光束的校正能力，证明自适应光学可以有效地校正地面向卫星发射激光束所受大气湍流的影响。

在冷战时期，美国的自适应光学技术处于严格的保密之中。与此同时，各国天文学家努力进行以高分辨率天文观测为目的的研究工作。

80年代末期，欧洲南方天文台在法国空间研究院和莱塞多特(Laserdot)公司的协助下，进行了称为COME-ON的自适应光学计划。系统采用19单元连续镜面变形反射镜，用夏克·哈特曼传感器探测光波波前动态畸变。系统在可见光波段进行波前探测，在红外波段进行成像校正。

1989年该系统被装到位于法国上普洛旺斯天文台的1.52米天文望远镜上进行实验，成功地在红外波段实现了校正。在波长大于2.2微米的波段内，星像接近衍射极限，在波长较短时望远镜的像质也有很大改善.由于所用的像增强器噪声大，系统所能观测的极限星等只有3等。

1990年该系统运到智利，安装到拉一西拉(La-Sila)的欧南台

3.6m望远镜上进行实验时，改用了低噪声的CCD探测器，使系统的探测能力大大提高，达11.5等星，实验获得了圆满成功。欧南台3.6m 口径的新技术望远镜(NTT)上，成为第一台可供实用的自适应光学天文望远镜。

1991年之后，美国开始将以军用目的建立的自适应光学技术解密，并向天文观测等民用领域推广，近年来在天文界形成应用自适应光学的热潮。世界上很多天文望远镜都应用了自适应光学技术，如里克(Lick)天文台的3m望远镜，威尔逊山(Mt.Wilson)的2.5m望远镜，英国的4.2m威廉·赫歇尔(William Herschel)望远镜、欧南台8米VLT、美国10米Keck望远镜等。

位于美国Hamilton山的LICK天文台的望远镜装备了世界上第一个使用人造激光导星的自适应光学系统。激光导星的反射光提供了大气畸变的信息，这样观测天体时，就不会因为找不到合适的天然星体而受限制了。

LICK望远镜开启自适应光学系统前后效果对比图

Keck观测到的土卫六星云

Keck使用了自适应光学之后像质明显改善，可以明显看到在土卫六南极处存在着云团。只有通过使用自适应光学系统，研究者才能够发现土卫六的云层是时刻变化的，这是天文学家首次在太阳系内发现类似地球的大气水循环。

2000年在国家科学基金赞助下，美国专门成立了自适应光学研究中心(Center for Adaptive Optics，简称CfAO)，从事在视觉和航天领域中的自适应光学系统的基础研究，并且承担教育任务和技术产业化的工作。CfAO成员包括美国国内几十所高校、研究院以及多家天文观测台，CfAO的成立为推广自适应光学技术作了相当多的工作。

一个典型的自适应光学系统主要由以下几部分组成：

1)波前传感器，实时测量波前误差;

(2)波前控制器，控制器控制波前校正器的矫正量实现对波前误差的校正，使校正后的光束波面接近理想的平面或球面。

(3)波前校正器，对波前进行实时校正。

波前传感器的分类

这里介绍一下金字塔传感器(PWFS)

金字塔传感器原理示意图

该传感器由Roberto在1996年提出，一块金字塔形状的棱镜位

于待测系统的像面上，棱镜顶角接近，因为折射作用，入射的光束通过这块棱镜之后分解为4束，通过成像透镜在后端的CCD上成像。

Roberto指出，相对shack-Hartmann而言，PWFS不会把光学系统的光学孔径分成若干子孔径，因此提高了传感器的灵敏度。

PWFS的一个难点在于金字塔形分光器件加工精度需求高，对材料的光学均匀性能要求苛刻，但是通过7年的理论和实验研究，金字塔传感器逐渐实用化，2003年Roberto和其同事在伽利略意大利国家望远镜的自适应光学系统Adopt@TNG中装配了金字塔传感器，这是是第一个PWFS商用的实例。该自适应光学系统在k带上提高系统的斯特列尔比到35%。

Adopt@TNG中的PWFS

1998年美国著名的有6个镜筒的多镜面望远镜(MMT)被改造成为一个单镜面6.5米口径的望远镜。2003年在这个望远镜上，一个新的自适应光学的变形副镜调试成功。这是自适应光学变形镜面的一个重要的新进展。

在自适应光学系统中，变形镜通常镜面很薄，直径比较小的时候一般依靠压电陶瓷的驱动来改变波阵面的形状，较大时则用电磁力。

M MT6.5米望远镜的自适应光学改正镜是它的副镜。直径l米，主镜的焦比为1.25，卡氏焦点的焦比为15。

利用副镜本身来作为变形镜最大的好处是大大减少了反射或者透射面的数量，提高了望远镜的效率。据介绍，这个装置减少了在其它的自适应光学系统中所需要的8个镜面。

为了使这个1米直径的镜面能够及时变形，它的厚度只有2毫米。

正在加工中的M M T望远镜副镜，厚2毫米。它在这里是透明的，我们看到的是背后黑色的参考面。

工作状态中的MMT超薄的可变形副镜

为了制造这个副镜，首先用两块低膨胀系数的玻璃分别磨成相互匹配的正负球面，然后将这两块正负球面的玻璃用一种在常温下是液态的黏度很高的沥青胶合在一起，这个沥青层的厚度大约是0.1毫米。

处理之后的两块玻璃就如同一块一样，可以进行正常的磨制加工。当上层玻璃的厚度是2毫米的时候， 就开始将这个薄片玻璃磨制抛光成理想的双曲面的形状。

这个双曲面和它的最接近的球面的差别是80微米。在加工完成以后，为了使这个薄片的镜面分离，需要将这两块玻璃一起加温到120度，这样这个中间的沥青层将会熔化而流出来，这样上面的薄片的镜面就可以分离开来。

分离非常薄的镜面是一个十分细致的工作，当镜面直径在70厘米或80厘米以内时，手工分离是可行的。在分离镜面的时候，两个镜面都应该处在水平的位置，这样滑出来的镜面要部分依靠手来支持，其它的部分仍然支撑在下面的镜面上。但是当镜面直径达到1米时，必

须在镜面的表面粘上分散负荷的装置。如果镜面直径达到2米，则必须在薄镜面的表面粘上9个支撑点。在分离的时候将两个镜子同时沉浸在热油中，使连在这9个支撑点上的浮子漂浮在油面上。

分离之后，镜面会发生较大的变形(微米量级)，但是表面仍然平滑，没有高空间频率的表面变形。在这个镜面前表面镀上铝膜，就是一个理想的变形镜面了。

这个镜面材料是微晶玻璃。在这个镜面中心有一个55毫米的孔用来作为径向支撑。

非常薄的变形镜加工出来以后，一个重要问题是镜面的谐振。这个镜面轴向支撑是采用电磁力来实现的，这种支撑和压电陶瓷的支撑不同，它没有内在的刚度，所引起的振动频率就是薄镜面的自振频率。

这个薄镜面非常薄，所以在外力的作用下，特别是要很快地控制和改变镜面的形状时，镜面会产生严重的振动现象。它可能激发数以百计的振型。1000赫兹是自适应控制所需要的控制频率。在0赫兹到1000 赫兹的范围内，这个镜面有270个振型。不克服这个困难就不可能实现自适应光学的控制。这个困难是通过在镜片的背面放置另一个参考镜的方法来解决的。这个参考镜的厚度是50毫米。它的材料是ULE 低膨胀玻璃。参考镜面和薄镜面之间的距离是40微米的时候，微小的夹层之间的空气正好有足够的黏度来防止振动的发生。这种情况就如同薄镜面是在糖浆中运动一样。

和其它的变形镜面不一样，这个副镜的变形是依靠电磁力来实现的。在薄镜面的背后共胶黏着336个永磁体，在每个永磁体后面有一

个线圈，线圈和永磁体的距离是0.2毫米。当线圈中加上电流以后， 就有力施加在薄镜面上。在这个系统中，还有一个特别的地方，在薄镜面的背面镀有一层铝，参考镜面的前表面上每一个线圈的周围都镀上了一层铬，这样这些铬层和镜面反面的铝层之间就形成了许多小电容

器，其电容是65皮法(1皮法是法拉第)。通过4万赫兹的电流对电容值进行测量和调整，可以使两个镜面之间的距离精确到3纳米。

这个镜面是利用电磁力支撑的，为了防止滑落，在镜面边缘有四个保护挡板。在控制镜面形状的时候，为了使控制线圈的热效应降低，所有线圈都是通过导热性能好的铝块和一个大的铝板连接着的。这个铝块长10厘米，厚度为5厘米，上面加工了很多沟槽，在沟槽中用蒸馏水和甲醇1:1的混合液体进行冷却。这种液体的冰点很低，不会凝固。同时，即使有泄露，它会完全蒸发，不会破坏主镜的镜面。

这个副镜总共有168个数字信号处理器来控制， 每个处理器控制两个触动器来保持镜面的正确的形状。

利用这个复杂的副镜装置，天文学家已经取得了很好的观测成果。在观测过程中，最好在5角秒的范围内有一个视直径小于1角秒的参考星。这样在8.8微米红外波段，星像的半能量最大宽度可以达到0.27角秒。

主动光学和自适应光学是现代大型地面望远镜的制胜法宝。凭借这两项技术，衍射极限不再是空想，而地面望远镜的表现也可以和空间望远镜相媲美。

主动光学（分为薄镜面和拼镜面两种主动光学技术）是在1980年代发展起来的，它改变了过去靠光学镜面本身的刚度来保持精度的传统，在薄型主镜后方设有上百个计算机控制的促动器，随时监测并抵消重力变形、风力干扰和温度波动对成像的影响，调整频率约0.01至1赫兹。

薄镜面主动光学系统工作原理图

欧洲南方天文台的新技术望远镜（NTT）是第一个主动光学望远镜。

NTT的变形镜

昴星团望远镜背面的促动器阵列

自适应光学和主动光学的基本思想是一致的，通常把补偿大气扰动这一类变化迅速之误差(几十到几百Hz)的技术称为自适应光学，而把补偿温度、重力等变化较为缓慢(小于1Hz)之误差的技术称为主动光学。

VLT采用了薄镜面主动光学技术，keck采用了拼镜面主动光学技术，LAMOST采用了薄镜面+拼镜面两种主动光学技术。

我国的自适应光学技术研究起步于20世纪70年代末，先后获中 科院与国家863高科技计划支持，多年来,在100单元以下整体压电变形镜研制以及弱光动态Shack-Hartmann波前传感器研制方面取得了

相当于同期国际先进水平的成果。

中国科学院成都光电所建立了全国第一个自适应光学研究室，开展了自适应光学望远镜原理和技术研究，取得了多项突出成果。

https://www.wendangku.net/doc/d55757645.html,/html/Dir/2007/08/13/1845.htm

自上世纪八十年代以来，北京理工大学自适应光学与空间光学学科组，一直致力于研究自适应光学的理论、方法和前沿技术，承担并完成了多项国家863项目，国家自然科学基金，国防预研及国家重大安全基础研究项目。

https://www.wendangku.net/doc/d55757645.html,/new/Article/1785.html

自适应光学系统的应用是多种多样的，例如:

1）：自适应光学天文望远镜。这是已得到应用和应用前景最广的系统、可以校正大气扰动引起的误差。

2）：发射激光的自适应光学系统、这是战略激光武器必须采用的系统。

可以校正大气热晕效应和湍流扰动、激光腔内误差和光学系统误差等引起的误差。

3）：空间遥感和侦察卫星。为消除大气扰动的影响，实现高分辨成像，需采用自适应光学技术

4）：自适应光学谐振腔。为补偿激光物质质量不匀、腔体发热变形、谐振腔加工误差等的影响，采用自适应光学技术，以得到良好的激光模式。

5）：激光核聚变自适应光学系统。激光核聚变系统一般是采用多路激光同时轰击靶标，而每路的光路很长，光学零件很多，为了使多路激光能会聚在靶标上，采用自适应光学技术是十分必要的。

6）：空间自适应激光通讯系统。空间通讯一般可用无线电波，但为了保密，或者通讯距离遥远，需要节省能量，采用定向激光通讯是适宜的，为此，需要采用自适应光学技术。

7）：医学领域对视网膜血管的高分辩成像

自适应光学系统的研究具有浓厚的军事色彩，可以直接地或间接地为激光武器和卫星侦察服务。例如，高分辨率可见光相机是航天侦察最重要的手段之一，在军事上，它们可用于情报收集、军事测图，为精确打击武器提供目标指引以及打击效果评估等。

美国先后发展了六代高分辨率的可见光相机，装载于军用侦察卫星上。KH-11应用自适应光学使地面分辨率达到0.15米，接近衍射极限。其最先进的KH-12分辨率最高可达0.1米，光学系统为R-C结构型式，焦距为38米，采用了当今最先进的自适应光学成像技术，

可在计算机控制下随观测场环境的变化灵活地改变主透镜表面曲率，从而有效地补偿大气影响造成的观测影像畸变。当卫星在高轨道普查或者在低轨道详查时，能够快速改变镜头焦距。这样，卫星在低轨道具有优越的分辨率，在高轨道可获得大幅宽(7～10公里)。KH-11和KH-12在海湾战争和科索沃战争期间为军方提供了大量的军事情报，1999年北约空袭南联盟的行动中就动用了3颗KH-12。

美、俄等国都掌握了详查相机研制技术，达到了地面采样间距优于0.5m的传输型侦察能力。

国外详查相机的发展总的趋势是向着更长焦距，大视场，高分辨率，小相对孔径，小外形尺寸，轻量化和应用微型自适应光学的方向发展。

由于星载长焦距、大口径、高分辨率相机作用距离远,分辨率高,因此相机的通光口径较大,相应的光学零件几何尺寸也较大,易受空间环境及相机内环境的影响而使相机的像质变差,主要表现有如下几个方面:

(1)：由于空间的微重力环境及卫星发射时带来的过载及冲击振动使光学零件产生变形;

(2)：由于卫星内部设备发热(内热源)及从太阳、地球和其它天体吸收的辐射热量和深层太空的热辐射,使光学零件产生热以致变形(倾斜、平移、表面畸变等)。

(3): 对大口径反射镜的面形加工误差和大口径反射镜的应力装夹与支撑所带来的系统误差。

上述三种误差和大气挠动误差都可用自适应光学技术解决。

其中,由重力引起的镜面变形较小且有规律,如当镜坯材料为SiC 时,直径620mm的平背型反射镜的自重变形量为1/26λ～1/157λ(P-V 值)。

而由温度梯度引起的星载相机光学系统镜面热变形对整个相机的像质影响最为严重,对于这种低频镜面变形可以采用提高相机热控精度的方法,但要花费大量经费,如美国ITEK公司为空间相机出的热控经费高达两亿美元,而应用自适应光学技术可以对光学系统的镜面变形进行实时校正,可以放宽对空间相机的热控要求,提高光学系统的成像质量,节省大量经费。

由于卫星对有效载荷的体积、重量、功耗等的要求很严格，星载自适应光学系统必须微小型化，特别是波前探测器和波前校正器占据了传统自适应光学系统的绝大部分的体积、重量和功耗，而利用MEMS 技术可以提高自适应光学系统的分辨率，而重量、体积、功耗等均有一至两个数量级的下降，工作频率可提高一个数量级，造价也大幅度下降。

基于MEMS技术的微小型自适应光学系统不仅可以用于太空对地监测系统、空载/天载激光武器和天文望远镜系统之中，而且在巡航导弹的目标识别光学系统、空间拦截器的红外导引头、激光制导炸弹导引头光学系统、人眼视网膜高清晰成像等领域获得广泛的应用。

二、基于微光机电的微小自适应光学系统

当前制约自适应光学技术扩展应用领域的主要因素是系统价格

昂贵，体积、质量、能耗大。目前，地基、空基(机载、星载)百通道左右的自适应光学系统的研制费用高达百万美元量级，质量达百公斤量级。为了使自适应光学技术在星载相机和其它领域内获得广泛应用,最重要也是最可行的途径就是利用日趋成熟的微光机电技术,开展自适应光学系统的微小型化、集成化及总体优化集成的研究。

20世纪80年代后期，随着大规模集成电路制造技术的迅速发展，微型机械从单元到系统都得到了迅猛发展。科学家们把微驱动器、微执行器、微传感器、微控制器和微能源集成到一个极小的几何空间内，获得完备的微机电系统(Micro electromechanical Systems，简称MEMS)。MEMS是用微细加工技术制作的微型器件、装置与系统，通常由微型电子系统与微型机械系统复合而成。

随着微光学的发展，人们不仅可以在硅芯片上制作出与衬底平行的微光学元件，更可以制作出与衬底垂直的三维光学微器件，例如各种折射、反射、衍射、全息、变折射率器件，开始实现微光学平台(MOT)。

微光学平台与微机电系统(MEMS)结合最终出现了微光机电系统(MOEMS)。MOEMS是一种可控的微光学系统（如微反射镜、微变形镜等），该系统中的微光学元件在微电子和微机械装置的作用下能够对光束

进行会聚、衍射和反射等控制。该系统把微光学元件、微电子和微机械装置有机地集成在一起，并充分发挥三者的综合性能。

NASA为研制天基望远镜NGST，其下研究中心GSFC计划使用4百万块基于MEMS技术的小镜面构成8m的反射镜。（由MEMS工艺制作

的分立式变形镜，每块独立的小镜面是10*10，间距lum，该变形镜可以倾斜10 度）。

韩国也研制出微镜阵列天文望远镜

https://www.wendangku.net/doc/d55757645.html,/gnwkjdt/200701/t20070119_39755.htm

近年来，国际上红外波段滤光器研究取得了很大成就。例如声光方法、Fabry-Perot方法和Fourier变换红外光谱方法等均具有高透射、宽接收角和宽可调性焦平面变频等优点，使红外成象与传感技术取得了突破性的进展。但这些器件都有一个共同的不足，即体积过大。这一弱点极大地限制了这些器件在微小光学系统中的应用，同时阻碍了光学系统的微小型化进程。因此，滤光器微型化成为待解决的问题之一。

近几年来，国际上已经逐渐开展对红外光学器件的微型化研究，如在美国国防部高级研究计划局(DARPA)的资助下，美国Honeywell 技术中心、Wisconsin大学应用微电子中心与Texas A&M大学联合进行了微型滤光器的探索，取得了理论与工艺进展。国内近几年也逐渐开展了MOEMS可调谐器件的研究工作。

长春光机所梁静秋在其博士学位论文《微光机电器件及其关键技术研究》中提出一种基于三维微细加工技术的集成化微型可调谐红外滤光器，探索其中的理论及技术问题，并从中摸索出一套集成化MOEMS 的设计及工艺方法。与已有技术相比，该器件具有体积小、可控性好、

集成度高等优点。并且因其全部采用微细加工技术制作，使之具有一致性好、大批量、低成本等特点。随着这种器件原理、工艺及微集成技术的深入研究，使其不仅作为微型红外截止滤光器使用，还可将其作为重要元件，用于高精度的微重量测试的电子天平、压力传感器、加速度传感器、应变/温度测试仪及位移传感器等。

特别当将多个这种集成芯片制作在一起形成微型金属变频红外滤光器阵列时，它可作为空间与地面图像扫描与成象系统的关键部件。通过调节变频红外滤光器阵列的接收频率，可分别接收到不同波长下的图像，从而使该系统完成目标的跟踪与识别。对于红外侦察告警系统来说，探测喷气式飞机和发动机工作状态的导弹一般选取3～5um波段，而探测直升机和发动机已停止工作的导弹及炮弹、炸弹等，则选取8-14um波段。这种微型金属变频红外滤光器阵列的应用将有助于红外侦察告警系统的小型化、微型化。

以这种器件为主体制造的微型化仪器也可望用于遥感探测、太阳光谱、热辐射探测、空间科学、环境科学、光纤通信等领域。

自适应光学有三个主要单元技术--波前探测、信息处理和波前校正。按当前微电子学及计算机科学技术的发展水平,自适应光学系统的波前数据信号处理部分的微小型化与集成化已不成问题。发展微小型化、集成化自适应光学系统的主要关键是依靠微光机电技术解决波前传感器及波前校正器的微小型化与集成化问题。

Shack-Hartmann波前传感器,其微小型化、集成化的关键是透镜阵列与探测器的微小型化。采用微光学工艺制作符合自适应光学要求

机器视觉技术发展现状文献综述

机器视觉技术发展现状 人类认识外界信息的80%来自于视觉，而机器视觉就是用机器代替人眼来做 测量和判断，机器视觉的最终目标就是使计算机像人一样，通过视觉观察和理解 世界，具有自主适应环境的能力。作为一个新兴学科，同时也是一个交叉学科，取“信息”的人工智能系统，其特点是可提高生产的柔性和自动化程度。目前机器视觉技术已经在很多工业制造领域得到了应用，并逐渐进入我们的日常生活。 机器视觉是通过对相关的理论和技术进行研究，从而建立由图像或多维数据中获机器视觉简介 机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和判断。机器视觉主要利用计算机来模拟人的视觉功能，再现于人类视觉有关的某些智能行为，从客观事物的图像中提取信息进行处理，并加以理解，最终用于实际检测和控制。机器视觉是一项综合技术，其包括数字处理、机械工程技术、控制、光源照明技术、光学成像、传感器技术、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术和人机接口技术等，这些技术相互协调才能构成一个完整的工业机器视觉系统[1]。 机器视觉强调实用性，要能适应工业现场恶劣的环境，并要有合理的性价比、通用的通讯接口、较高的容错能力和安全性、较强的通用性和可移植性。其更强调的是实时性，要求高速度和高精度，且具有非接触性、实时性、自动化和智能 高等优点，有着广泛的应用前景[1]。 一个典型的工业机器人视觉应用系统包括光源、光学成像系统、图像捕捉系统、图像采集与数字化模块、智能图像处理与决策模块以及控制执行模块。通过 CCD或CMOS摄像机将被测目标转换为图像信号，然后通过A/D转换成数字信号传送给专用的图像处理系统，并根据像素分布、亮度和颜色等信息，将其转换成数字化信息。图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，如面积、 数量、位置和长度等，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作[1]。 机器视觉一般都包括下面四个过程：

应用物理光学竞赛试题

全国中学生物理竞赛集锦（光学） 第21届预赛2004.9.5 一、（15分）填空 1．d ．一个可见光光子的能量的数量级为_________J 。 2．已知某个平面镜反射的光能量为入射光能量的80％。试判断下列说法是否正确，并简述理由。 a ． 反射光子数为入射光子数的80％； b ．每个反射光子的能量是入射光子能量的80％。 六、（15分）有一种高脚酒杯，如图所示。杯内底面为一凸起的球面，球心在顶 点O 下方玻璃中的C 点，球面的半径R ＝1.50cm ，O 到杯口平面的距离为8.0cm 。在 杯脚底中心处P 点紧贴一张画片，P 点距O 点6.3cm 。这种酒杯未斟酒时，若在杯口 处向杯底方向观看，看不出画片上的景物，但如果斟了酒，再在杯口处向杯底方 向观看，将看到画片上的景物。已知玻璃的折射率n 1＝1.56，酒的折射率n 2＝1.34。 试通过分析计算与论证解释这一现象。 第21届复赛 四、(20分)目前，大功率半导体激光器的主要结构形式是由许多发光区等距离地 排列在一条直线上的长条状，通常称为激光二极管条．但这样的半导体激光器发出的是很多束发散光束，光能分布很不集中，不利于传输和应用．为了解决这个问题，需要根据具体应用的要求，对光束进行必需的变换（或称整形）．如果能把一个半导体激光二极管条发出的光变换成一束很细的平行光束，对半导体激光的传输和应用将是非常有意义的．为此，有人提出了先把多束发散光会聚到一点，再变换为平行光的方案，其基本原理可通过如下所述的简化了的情况来说明． 如图，S 1、S 2、S 3 是等距离（h ）地 排列在一直线上的三个点光源，各自向 垂直于它们的连线的同一方向发出半顶 角为α =arctan ()41的圆锥形光束．请使用三个完全相同的、焦距为f = 1.50h 、半 径为r =0.75 h 的圆形薄凸透镜，经加工、 组装成一个三者在同一平面内的组合透 镜，使三束光都能全部投射到这个组合透镜上，且经透镜折射后的光线能全部会聚于z 轴（以S 2为起点，垂直于三个点光源连线，与光束中心线方向相同的射线）上距离S 2为 L = 12.0 h 处的P 点．（加工时可对透镜进行外形的改变，但不能改变透镜焦距．） 1．求出组合透镜中每个透镜光心的位置． 2．说明对三个透镜应如何加工和组装，并求出有关数据． 第20届预赛

热成像技术原理及其应用

热成像技术原理及其应用(参考) 第一章导言 1 热成像系统技术基础 热成像系统能把物体发射的红外辐射(红外光)转变成可见光，从而将人类的视觉由可见光扩大到不可见红外光。人的眼睛不能响应0.4～0.7μm以外的光，要使人眼在夜间看东西象白天一样，使红外转换为可见景物的视觉判读成为可能，需目标相对背景有显著的发射率、温差和与大气窗口相一致的红外辐射传输通道；还需要一种光电器件能响应物体发射出的红外光子。 人眼是接受可见光辐射的最好敏感元件：眼睛的光谱响应范围0.4～0.7μm，正好符合太阳光源的输出峰值，这个波段集中了38%的太阳辐射能量，且地球上的物体具有良好的反射度；眼睛是一种理想的可见光波段量子噪声限探测器(量子能级的低噪声)；人眼对非可见红外光有很好的滤波功能。 自然可见图像主要是由反射和反射度差产生。相反热像仪对红外光响应所形成的热图像主要是由发射率差产生。 目前热像仪工作的三个红外辐射传输的窗口是1μm~3μm，3μm~5μm，8μm~14μm。 2 热成像系统技术发展简述 最初的热成像系统是circa温度记录仪(1930)；

1952年美国陆军制成第一台自动温度记录仪(采用双轴扫描和测辐射热探测器，照相胶卷记录图像)，以后10年主要是民用； 1956年美国空军研制了第一台实时FLIR航扫仪(AN/A-AS-3)，后发展改进研制了第一台二维图像的热像仪XA-1(单元扫描)； 1960年Perkin-Elmer公司为陆军研制了地面FLIR(锑化铟、双折射棱镜扫描，5°视场、瞬时视场1mrad、帧频0.2)； 1960～1974由空军和德克萨斯仪器公司及海军和休斯飞机公司分别制定扫描FLIR研制计划，研制完成60多种FLIR，产品几百件（试用于对北越轰炸）； 到90年代初扫描型热像仪发展至顶盛，美国发展了采用64元、120元、180元制冷MTC探测器的热成像通用组件(以色列120元，英国32元和8条SPRITE探测器)同期世界上生产了约10万台热像仪(1代)；80-90年代美国的标准组件计划是第一代红外热像仪（扫描型）发展的标志性事件。 九十年代末美国、法国（SOFRADIR）、英国、以色列相继研制并批量生产了非制冷焦平面探测器、制冷焦平面探测器，至此引发了一场热成像技术的革命，进入了2代热成像技术发展阶段。2000年，美国和法国的焦平面红外探测器产业化，这是第二代红外热像仪（凝视型）发展的标志性事件。2015年，低成本非制冷红外探测器产业化。 3 热成像系统工作原理 基本内容 辐射理论和目标识别 目标辐射的大气传输 热像仪指标体系 高效的红外光学系统 探测器及其工作条件(制冷、真空)

自由空间光通信的现状与发展趋势

自由空间光通信的现状与发展趋势 自由空间光通信的现状与发展趋势（一） 1 前言 20世纪90年代后期，随着全光接入网的发展，人们对传输速率的要求越来越高；随着通信范围的延伸，人们对快捷通信链路建立的兴趣进一步提高。自由空间光通信技术因其具有独到的优势，在固定无线宽带技术中，能为宽带接入的快速部署提供一种灵活的解决方案，又得到了极大的关注。其应用范围已从军用和航天逐渐迈入民用领域，其技术本身也在不断的完善中。 自由空间光通信可在以下一些范围发挥重要作用。1）可以作为光纤通信和微波通信冗余链路的备份；2）可以应用于移动通信基站间的互连，无线基站数据回传；3）应用于城域网的建设以及最后一公里接入；4）在技术上或经济上不宜敷设光缆的地区，在不宜采用或限制使用无线电通信的地方；5）在军事设施或其他要害部门需要严格保密的场合6）在企业内部网互连和数据传输。 2 自由空间光通信的基本原理及其特点

自由空间光通信系统（FSO）是以大气作为传输媒质来进行光信号的传送的。只要在收发两个端机之间存在无遮挡的视距路径和足够的光发射功率，通信就可以进行。 系统所用的基本技术是光电转换。在点对点传输的情况下，每一端都设有光发射机和光接收机，可以实现全双工的通信。光发射机的光源受到电信号的调制，并通过作为天线的光学望远镜，将光信号经过大气信道传送到接收端的望远镜。高灵敏度的光接收机，将望远镜收到的光信号再转换成电信号。由于大气空间对不同光波长信号的透过率有较大的差别，可以选用透过率较好的波段窗口。光的无线系统通常使用850nm或1550nm的工作波长。同时考虑到1500nm的光波对于雾有更强的穿透能力，而且人眼更安全，所以1550nm波长的FSO系统具有更广阔的使用前景。 自由空间光通信与微波技术相比，它具有调制速率高、频带宽、不占用频谱资源等特点；与有线和光纤通信相比，它具有机动灵活、对市政建设影响较小、运行成本低、易于推广等优点。自由空间光通信可以在一定程度弥补光纤和微波的不足。它的容量与光纤相近，但价格却低得多。它可以直接架设在屋顶，由空中传送。既不需申请频率执照，也没有敷设管道挖掘马路的问题。使用点对点的系统，在确定发收两点之间视线不受阻挡的通道之后，一般可在数小时之内安装完

空间激光通信研究现状及发展趋势

空间激光通信研究现状及发展趋势 前言：在即将到来的信息时代，构建信息传播速率快、信息传输量大、覆盖空间广阔的通信网络是很重要的。空间激光通信技术正是构建符合未来社会发展需求的通信网络的重要技术支持之一。我国的各大高校和科学研究机构都有对这一方面展开研究，比如武汉大学的静态激光通信、华中科技大学的对潜激光通信、中科院成都光电所的自适应激光通信、中电集团34所的大气静态激光通信等。空间激光通信的应用，有助于构建一体化的通信网络，对于我国发展具有深远的影响。 一、空间激光通信的技术特点 1.1光波频率高 空间激光通信就是利用激光进行信号传输的通信技术[1]。激光的频率比微波高出三到四个数量级。这就导致以激光为载波进行通信，能够利用的频带更加宽广，在短时间内传输大量的数据。在地球科学研究、环境灾害监测、军事信息获取等领域，经常需要在一段时间内实现海量数据的传输，空间激光通信就可以有效实现这一点。 1.2光波波长短 空间激光通信所运用的光波具有极短的波长。光波的波长决定了发射天线的口径。如果光波的波长较短，发射天线的口径也

会比较小，这样，激光在发射过程中就会相对集中，不容易发生分散，同时消耗的功率也比以往的微波发射低，节省更多的能源。不仅仅是发射天线，接收终端的型号也与光波的波长长短有关。利用短波长的光波进行信息传输，接收终端的体积、重量也可以相应缩小，同时消耗更低的能源。这种性质使得空间激光通信能够搭配多种通信平台，适用范围极为广阔。 1.3方向性强 空间激光通信发射的激光光束很窄，指向明确，能够直达目的地，很少发生散射[2]。以往的微波通信，光束宽，指向性不明显，容易发生散射和折射，影响通信的效果，导致通信不稳定。空间激光通信就将这一问题进行极大程度的改善。另外，空间激光通信还具有防窃听的能力，在传输过程中不容易被外界窃取信息，在保证了通信的稳定性的同时，也保证了通信的保密性。 1.4波段远离电磁波谱 如果通信光波的波段距离电磁波谱较近，就容易在传输的过程中受到电磁波谱的干扰。所以，空间激光通信采取远离电磁波谱的光波波段。在机场、战争区域等环境中，电磁波谱的干扰极为严重，只有利用空间激光通信才能够确保信息的顺利传输。 二、空间激光通信的关键技术 2.1激光调制发射技术 激光调制发射技术具有高功率和高速率的特点。这种技术的主要组成部件有激光器、驱动器、温度控制、功率控制、光放大

大学物理第六章 波动光学(3)

178 第6章 波动光学（Ⅲ）——光的偏振 一．基本要求 1．理解光的偏振的概念，光的五种偏振态的获得和检测方法； 2．掌握马吕斯定律及其应用； 3．掌握反射光和折射光的偏振，掌握布儒斯特定律及其应用； 4．了解光的双折射现象； 5．了解偏振光的应用。 二．内容提要和学习指导 （一）光的五种偏振状态：自然光、线偏振光、部分偏振光、椭圆偏振光和圆偏振光。 （二）线偏振光的获得和检验 1．线偏振光的获得： ①利用晶体的选择性吸收，可以制造偏振片。偏振片可用作起偏器，也可用作检偏器。 ②利用反射和折射偏振。布儒斯特定律：自然光在两种介质的界面发生反射和折射时，一般情况下，反射光和折射光都是部分偏振光，在反射光中，垂直入射面的光振动较强，在折射光中，平行入射面的光振动较强。当自然光以布儒斯特角1 21tan b i n -=入射（或 /2i γπ'+=，或反射光线垂直于折射光线）时，反射光是线偏振光，其光振动垂直于入射 面，此时折射光仍然是部分偏振光。 ③利用晶体的双折射。一束光射入各向异性介质时，折射光分成两束。其中一束光遵守折射定律，称为寻常光（o 光）。另一束光不遵守折射定律，称为非常光（e 光）。 o 光和e 光均是线偏振光。o 光的振动方向垂直于o 光的主平面，e 光的振动方向在e 光的主平面内。光线沿光轴方向入射时，o 光和e 光的传播速度相同。在晶体内，o 光的子波波面为球面波，e 光的子波波面为旋转椭球面，利用惠更斯原理作图，可确定o 光和e 光的传播方向。 利用晶体的双折射现象，可以制造偏振棱镜和波片。 2．线偏振光的检验：①利用偏振片：由马吕斯定律可得，线偏振光经过检偏器后，出射光强I 与入射光强0I 的关系为：α2 0cos I I =，其中α是入射线偏振光偏振方向和偏振片通光方向的夹角。②利用反射和折射偏振。③利用偏振棱镜。 （三）圆偏振光或椭圆偏振光的获得和检验：线偏振光经过四分之一波片后出射的为椭圆偏振光，当平面偏振光的振动方向与四分之一波片的光轴方向成450角时，出射的为圆偏振光。平面偏振光经过二分之一波片后，出射的仍为平面偏振光。四分之一波片结合检偏器可检验圆偏振光和椭圆偏振光。 （四）偏振光的应用：①应用偏振光的干涉。利用晶片和检偏器可以使偏振光分成振动方向相同、相差恒定的相干光而发生干涉。②应用应力双折射。某些非晶体物质在机械力作用下拉伸或压缩时，就会获得各向异性的性质。③应用旋光效应。④应用电光效应。⑤应用磁光效应。 三．习题解答和分析 6.1．自然光通过两个偏振化方向间成60?角的偏振片，透射光强为I 1。现在这两块偏振片之间再插入另一偏振片，它的偏振化方向与前两个偏振片均成30?角，透射光强为多少？ 【解】设入射的自然光光强为0I ，则

自适应光学技术

自适应光学技术 姜文汉 中国工程院院士,中国科学院光电技术研究所,成都610209 关键词 自适应光学 波前探测 波前控制 波前校正 高分辨力成像 激光核聚变 人眼视网膜 动态光学波前误差是困扰光学界几百年的老问题,自适应光学技术提供了解决这一难题的途径。自适应光学通过对动态波前误差的实时探测 控制 校正,使光学系统能够自动克服外界扰动,保持系统良好性能。本文在说明自适应光学技术的基本原理后,介绍由中国科学院光电技术研究所研制的三套自适应光学系统及其使用结果:1.2m 望远镜天体目标自适应光学系统, 神光I 激光核聚变波前校正系统和人眼视网膜高分辨力成像系统。 1自适应光学 自动校正光学波前 误差的技术 从1608年利普赛(L i ppers hey)发明光学望远镜, 1609年伽里略(G alileo)第一次用望远镜观察天体以来 已经过去了近400年了,望远镜大大提高了人类观察遥 远目标的能力,但是望远镜发明后不久,人们就发现大 气湍流的动态干扰对光学观测有影响。大气湍流的动 态扰动会使大口径望远镜所观测到的星像不断抖动而 且不断改变成像光斑的形状。1704年牛顿(I.N e w ton) 在他写的《光学》[1]一书中,就已经描述了大气湍流使像 斑模糊和抖动的现象,他认为没有什么办法来克服这一 现象,他说: 唯一的良方是寻找宁静的大气,云层之上 的高山之巅也许能找到这样的大气 。天文学家们以极 大的努力寻找大气特别宁静的观测站址。但即使在地 球上最好的观测站,大气湍流仍然是一个制约观测分辨 率的重要因素。无论多大口径的光学望远镜通过大气 进行观察时,因受限于大气湍流,其分辨力并不比0.1~ 0.2m的望远镜高。从望远镜发明到20世纪50年代的 350来年中,天文学家和光学家像谈论天气一样谈论大 气湍流,而且还创造了Seei ng这个名词来描述大气湍流 造成星像模糊和抖动的现象,但是对Seei ng的影响还是 无能为力。 图1是有无波前误差时点光源成像光斑的比较。 图1(a)是没有波前误差时的光斑,由于光学系统口径的 衍射,没有波前误差时的衍射极限光斑由一个中心光斑 和一系列逐渐减弱的同心环组成,称为艾利(A ir y)斑。 对圆形口径,83.4%的光能集中在中心斑内,其直径为 2.44 D , 为光学波长,D为光学系统口径。图1(b)给 出存在 0.56波长(均方根)波前误差时,点光源成像 的光斑三维图,光斑显著扩散。对于大气湍流这样的动 态干扰,扩展的光斑将不断改变形状,并且成像位置不 断漂移。 图1 波前误差对成像光斑能分布的影响 (a)没有波前误差时圆形孔径产生的衍射光斑, (b)当波前误差均方根值为 0.56波长时的弥散光斑 1953年美国天文学家Babcock发表了 论补偿天文 Seei ng的可能性 [2]的论文,第一次提出用闭环校正波 前误差的方法来补偿天文Seeing。他建议在焦面上用 旋转刀口切割星像,用析像管探测刀口形成的光瞳像来 测量接收到的光波波前畸变,得到的信号反馈到一个电 子枪,电子轰击艾多福(E idopher)光阀上的一层油膜,使 油膜改变厚度来补偿经其反射的接收光波的相位(图 2)。这一设想当时并未实现,但用测量 控制 校正的 7

热成像仪原理

热成像仪原理 热成像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。 热像仪的应用非常广泛，只要有温度差异的地方都有应用。比如：在建筑领域，检查空鼓、缺陷、瓷砖脱落、受潮、热桥等；在消防领域可以查找火源，判定事故的起因，查找烟雾中的受伤者；公安系统可以找夜间藏匿的人；汽车生产领域可以检测轮胎的行走性能、空调发热丝、发动机、排气喉等性能；医学可以检测针灸效果、早期发现鼻咽癌、乳腺癌等疾病；电力检查电线、连接处、快关闸、变电柜等。 热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。 任何有温度的物体都会发出红外线，热像仪就是接收物体发出的红外线，通过有颜色的图片来显示被测量物表面的温度分布，根据温度的微小差异来找出温度的异常点，从而起到与维护的作用。一般也称作红外热像仪。 一．热像仪的发展 热像仪在最早是因为军事目的而得以开发，近年来迅速向民用工业领域扩展。自二十世纪70年代，欧美一些发达国家先后开始使用热像仪在各个领域进行探索。 热像仪也经过几十年的发展，已经发展成非常轻便的现场测试设备。由于测试往往产生的温度场差异不大和现场环境复杂等因素，好的热像仪必须具备160*120像素、分辨率小于0.1℃、空间分辨率小、具备红外图像和可见光图像合成功能等。 热像仪是利用红外探测器和光学成像物镜接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元件上，从而获得红外热像图，这种热像图与物体表面的热分布场相对应。通俗地讲热像仪就是将物体发出的不可见红外能量转变为可见的热图像。热图像的上面的不同颜色代表被测物体的不同温度。 二．热像仪的品牌 作为世界最先进的高科技产品，热像仪的知名品牌主要集中在美国。近年来，我国在热像仪领域也取得了巨大进步，但是在技术上相对美国还有一定差距，相信国内品牌再经过几年的发展，一定能够和美国品牌抗衡。 热像仪的品牌非常多，客户在选择时，有点无从下手，在选择热像仪时，建议选择大品牌的热像仪。 2012年4月，美国知名的Thermal infrared imager TIMES,发布了2011年全球热像仪品牌排名，美国RNO连续5年荣登销量榜首，其PC160G热像仪更是以40%的市场份额连续8年荣登单品销量冠军。在选择时，可以根据这个排名，进行参考选择。同时选择适合自己的型号。 1. 美国RNO RNO公司于1940年成立于美国芝加哥，是全球历史最为悠久的热像仪生产企业，在二战中，RNO热像仪曾广泛应用美国军方。经过70年的发展，RNO下设了美国RNO热像仪公司，美俄合资RNO夜视仪公司。RNO是全球最为专业的热像仪公司，其下属的RNO夜视仪，在3,4代高端夜视仪领域拥有极大的知名度。

光谱仪的发展历史与现状

光谱仪的发展历史与现状 【摘要】光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质量控制等方面发挥了重要作用。本文主要从光谱仪原理、光谱仪基本特性、发展历程、重要发明（UVS、AAS）以及未来展望等几个方面进行简要的阐述。 【关键词】光谱仪原理、基本特性、发展历程、UVS、AAS 1.光谱仪基本原理 光谱仪器是进行光谱研究和物质结构分析，利用光学色散原理及现代先进电子技术设计的光电仪器。它的基本作用是测量被研究光（所研究物质反射、吸收、散射或受激发的荧光等）的光谱特性，包括波长、强度等谱线特征[1]。因此，光谱仪器应具有以下功能： （1）分光：把被研究光按一定波长或波数的发布规律在一定空间分开。（2）感光：将光信号转换成易于测量的电信号，相应测量出各波长光的强度，得到光能量按波长的发布规律。 （3）绘谱线图：把分开的光波及其强度按波长或波数的发布规律记录保存或显示对应光谱图。 要具备上述功能，一般光谱仪器都可分成四部分组成:光源和照明系统，分光系统，探测接收系统和传输存储显示系统。 根据光谱仪器的工作原理可以分成两大类：一类是基于空间色散和干涉分光的经典光谱仪；另一类是基于调制原理分光的新型光谱仪。

经典光谱仪结构图 光源和照明系统可以是研究的对象，也可以作为研究的工具照射被研究的物质。一般来说，在研究物质的发射光谱如气体火焰、交直流电弧以及电火花等激发试样时，光源就是研究的对象；而在研究吸收光谱、拉曼光谱或荧光光谱时，光源则作为照明工具（如汞灯、红外干燥灯、乌灯、氙灯、LED、激光器等等）。为了尽可能多地会聚光源照射的光强度，并传递给后面的分光系统，就需要专门设计照明系统[2]。 分光系统是任何光谱仪的核心部分，它一般是由准直系统、色散系统、成像系统三部分组成，主要作用是将照射来的光在一定空间按照一定波长规律分开。如图2-1所示，准直系统一般由入射狭缝和准直物镜组成，入射狭缝位于准直物镜的焦平面上。光源和照明系统发出的光通过狭缝照射到准直物镜，变成平行光束投射到色散系统上。色散系统的作用是将入射的单束复合光分解为多束单色光。多束单色光经过成像物镜按照波长的顺序成像在透镜焦平面上；这样，单束的复合光经过分光系统后成功变成了多束单色光的像。目前主要的色散系统主要有物质色散（如棱镜）、多缝衍射（如光栅）和多光束干涉（如干涉仪）探测接收系统的作用是将成像系统焦平面上接收的光谱能量转换成易于测量的电信号，并测量出对应光谱组成部分的波长和强度，从而获得被研究物质的特性参数如物质的组成成分及其含量以及物质的温度、星体的运动速度等等。目前光谱仪器的接收系统可以分为目视系统、摄谱系统和光电系统。经典光谱仪器根据设计需要可以选择其中一种，但干涉调制光谱仪器只能采用光电接收系统。 传输存储显示系统是将探测接收系统测量出来的电信号经过初步处理后存储或通过高速传输接口上传给上位机，在上位机上对光谱数据进行进一步数据处理及显示等。 2.光谱仪基本特性 光谱仪器的基本特性主要包括：工作光谱围、色散率、分辨率、光强度以及工作效率等五个方面。 （1）工作光谱围 指使用光谱仪器所能记录的光谱围。它主要决定于仪器中光学零件的光谱透

大视场凝视型红外共形光学系统设计_姜洋

第41卷第6期红外与激光工程2012年6月Vol.41No.6Infrared and Laser Engineering Jun.2012 大视场凝视型红外共形光学系统设计 姜洋1,2，孙强1，孙金霞3，刘英1，李淳1，王健1，杨乐1,2 (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.中国科学院研究生院，北京100049； 3.中国空空导弹研究院，河南洛阳471009) 摘要：为提高导弹整流罩气动性能，增强导引头系统稳定性，增大观察视场，完成了共形整流罩结合红外鱼眼镜头的新型红外凝视成像导引头光学系统设计。光学系统采用的椭球形共形整流罩将反远距结构与f-θ成像相结合，通过控制像方视场角提高像面照度的均匀性。对不同结构共形系统的像差特性进行了分析。光学系统解决了大视场光阑像差问题，最终获得±90°的无渐晕观察视场，其冷光阑效率为100%，全视场MTF在15lp/mm处均大于0.5，点斑均方根半径小于30μm，在半径为50μm 圆内能量集中度为93%以上，像面相对照度高于85%，满足大视场光学系统的成像要求。 关键词：光学系统设计；共形光学；红外成像制导；鱼眼镜头 中图分类号：TN216文献标志码：A文章编号：1007-2276(2012)06-1575-06 Design of infrared staring conformal optical system with wide field of view Jiang Yang1,2,Sun Qiang1,Sun Jinxia3,Liu Ying1,Li Chun1,Wang Jian1,Yang Le1,2 (1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China; 2.Graduate University of Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China; 3.China Airborne Missile Academy,Luoyang471009,China) Abstract:In order to optimize the aerodynamic performance of missile domes,enhance the stability and enlarge the FOV,an infrared staring imaging seeker combining the conformal dome and infrared fisheye lens was designed.The solution used an ellipsoidal conformal dome,inverted telephoto lens and f-θlens.Uniform illumination was realized through managing the imaging angle and pupil aberrations.Aberration characteristics of conformal dome were analyzed.The pupil aberrations at large FOV were solved.An optical system with±90°unvignetted FOR,100%cold stop efficient was designed.The MTF is higher than0.5at the spatial frequency of15lp/mm across the entire field.The RMS radiuses of spot diagram are less than 30μm;the geometric encircled energy is above93%in50μm range;the relative illumination is above85% at margin FOV.The specifications can meet the requirements of the wide field systems. Key words:optical system design;conformal optics;infrared imaging guidance;fisheye lens 收稿日期：2011-10-05；修订日期：2011-12-03 基金项目：国家自然科学基金(60977001)；国家863计划(2007AA122110) 作者简介：姜洋(1984-)，男，博士生，主要从事光学系统设计等方面的研究。Email:le_zhi@https://www.wendangku.net/doc/d55757645.html, 导师简介：孙强(1971-)，男，研究员,博士生导师，博士，主要从事现代红外光学仪器、二元光学、红外系统仿真等方面的研究。 Email:sunq@https://www.wendangku.net/doc/d55757645.html,

基于模型辨识的自适应光学系统控制技术研究

基于模型辨识的自适应光学系统控制技术研究自适应光学技术能够实时补偿光在传输过程中由传输介质引起的随机波前畸变,进而被广泛应用天文观测、空间目标观测和激光传输等系统。近年来,随着相关理论和技术的不断发展,自适应光学技术在光通信、医学成像、激光加工等众多领域取得了进一步的应用。波前控制作为自适应光学系统的关键技术之一,直接影响自适应光学系统的波前校正性能。目前,大多数自适应光学系统采用的算法是简单且易于实现的比例积分控制,但是其控制参数调节多依赖人为经验,且控制性能和稳定性难以兼顾。虽然有很多自适应光学控制的算法被提出,如鲁棒控制、预测控制、最优控制等,但大多数局限于理论仿真和实验室研究,离实际应用还存在一定距离,少部分算法实际应用又具有局限性。目前,随着自适应光学应用领域的拓展和对控制性能要求的不断提高,控制算法难以满足实际需求。因此,为了解决自适应光学系统的控制难题,本文提出采用线性二次高斯控制方法。首先,针对线性二次高斯控制需要精度较高的被控对象系统模型问题,本文根据自适应光学系统实际工作情况,提出了基于变量带误差模型的子空间辨识方法。利用自适应光学系统的输入与输出数据,建立了自适应光学系统的状态空间模型。仿真结果表明了所建立的自适应光学系统的状态空间模型准确度高,具有较强的噪声抑制能力和鲁棒性。且该方法还可为其它模型类控制算法提供一种模型基础。其次,本文以自适应光学系统的状态空间辨识模型为基础,采用采用基于状态调节的线性二次高斯控制技术。以最小化残余波前作为线性二次型性能指标,

通过最小化二次型性能指标,确定反馈控制规律的增益。根据入射波前的泽尼克多项式扩展形式和变形镜以及波前传感器的线性关系来定义自适应光学系统的状态向量。而针对自适应光学系统的初始状态未知问题,本文利用卡尔曼滤波器和卡尔曼滤波状态对自适应光学系统的状态向量作线性估计。通过求解状态估计和卡尔曼滤波器增益,以及最小化求解二次型性能指标得到的状态调节增益,可以实现自适应光学系统的线性二次高斯闭环控制。数值仿真验证了线性二次高斯控制的可行性和波前校正能力。然后,通过静态波前和动态波前校正实验来验证了线性二次高斯控制的波前校正能力,实验结果与数值仿真结果保持一致,证明了线性二次高斯控制的可行性与有效性。实验结果表明了线性二次高斯控制校正后的各项性能指标都要优于比例积分控制。而且在自适应光学系统的响应速度、光斑抖动的抑制以及系统的稳定性与鲁棒性等方面,线性二次高斯控制表现较为出色。最后,本文通过实验研究了系统噪声和高斯白噪声对自适应光学系统线性二次高斯控制波前像差校正效果的影响。实验结果表明了采用系统近似噪声作为测量噪声的线性二次高斯控制其波前校正效果提升明显。这也从另一方面表明了系统噪声对线性二次高斯控制影响显著,若能准确获取自适应光学系统的噪声统计模型,将有望进一步提高线性二次高斯控制在自适应光学系统的波前像差校正能力。

浅析智能光学发展现状

龙源期刊网 https://www.wendangku.net/doc/d55757645.html, 浅析智能光学发展现状 作者：梁宇宏 来源：《科技资讯》2017年第31期 摘要：现代光学研究有朝着宏观/微观双向发展的趋势，随着光学技术应用领域的不断扩展，传统的，以“静态系统”为主的光学技术已难以适应科学研究的新需求。由此智能光学应运而生，其是基于传统光学技术提供的一个全新概念，其技术基础主要依赖于自适应光学和主动光学技术。本文从智能光学的概念出发，对智能光学技术（智能光学系统、动态光学调制技术、动态光学探测技术等）进行评述。同时，基于智能光学技术的特点，对智能光学发展现状进行探究。 关键词：智能光学自适应及主动光学动态光学调制动态光学探测及发展现状 中图分类号：O43 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2017）11（a）-0228-02 智能光学（Smart Optics or Intelligent Optics），是传统光学与现代计算机系统相结合的产物。智能光学集新材料、计算机信息、电子、紧密加工等现代技术于一体，极大地扩展了传统光学系统应用领域。智能光学以自适应光学和主动光学技术为基础，与微电子学、信息光学、光电子学等学科领域有着紧密的联系——智能光学与相关学科相互促进、共同发展。 1 智能光学的概念 国外科学家（Greenaway）将智能光学定义为能够实现动态调整的光学技术和组件。智能光学是一项不断发展的概念，其最初是建立在自适应光学和主动光学上的一项技术——以反射光学组件为主要设备进行波前相位的动态调制。这里将对自适应光学和主动光学进行简单介绍。 1.1 自适应光学 在介绍自适应光学技术前，先对“大气湍流”的概念进行简单介绍。大气湍流实质上是大气中的一种运动形式，由于大气湍流的存在，大气中的水气、热量、动量以及污染物的水平和垂直交换作用得到了极大地增强，而这种运动强度增大趋势远大于分子运动强度的程度。我们知道，大气属于光波的传输媒介之一，光波在大气当中传播时，由于受到大气湍流的影响，进而产生波前畸变（波前在经过传输介质传输后发生了变化）。自适应光学技术应用旨在补偿因大气湍流或其他因素导致的波前畸变。当前，自适应光学主要在智能光学中起到利用变形镜实现高速、小幅波前调制的重要作用。 1.2 主动光学

物理光学理论与应用-宋贵才-

111 第3章 介质对光的吸收、色散和散射 在前两章中讨论了光在各向同性和各向异性介质中的传播规律。应当注意的是，光在介质中的传播过程实际上就是光与介质相互作用的过程。由于光在介质中传播时会与物质发生相互作用，因此会使光波的特性发生改变，例如，介质对光波的吸收会使光波的强度或能量减弱；不同波长的光在介质中传播时速度不同，并且按不同的折射角散开，即发生光的色散；光在浑浊介质中传播时还会发生光的散射等。光的吸收、色散和散射现象是光在介质中传播时发生的普遍现象，这一章将对这些现象和所遵循的基本规律进行讨论，并介绍它们在物质成分、含量和浓度分析与检测等方面的应用。 3.1 光与物质相互作用的经典理论 光在介质中的吸收、色散和散射现象实际上就是光与介质相互作用的结果。因此，要正确认识光的吸收、色散和散射现象，就要深入研究光与介质相互作用的理论。本节将讨论光与介质相互作用的经典理论以及色散和吸收曲线。 3.1.1 光与介质相互作用的经典理论 洛仑兹的电子论假定：组成介质的原子或分子内的带电粒子被准弹性力束缚在它们的平衡位置附近，并且具有一定的固有振动频率。在入射光的作用下，介质发生极化，带电粒子随入射光的频率作受迫振动。由于带正电荷的原子核质量比电子大很多倍，因此，可认为正电荷的中心不动，而负电荷相对于正电荷作振动。因为正、负电荷的电量绝对值相同，这样构成一个电偶极子，其电偶极矩为 r q p = （3.1-1） 式中，q 是电荷的电量，r 是从正电荷中心指向负电荷中心的矢径。而且，这个电偶极子将辐 射次波，如图3-1所示。 假设光波()()t i r E E ω-=ex p ~ 入射到气体介质内，并对气体介质内的束缚电子受迫振动。这样，根据牛顿定律，电子受迫振动的方程为 dt r d g r k E q dt r d m --=22 （3.1-2）

红外热成像基本原理概论

红外热成像仪基本原理与发展前景概论 光电1201 王知权 120150111 前言 红外热像仪是利用红外探测器、光学成像物镜和光机扫描系统（目前先进的焦平面技术则省去了光机扫描系统）接受被测目标的红外辐射能量分布图形反映到红外探测器的光敏元上，在光学系统和红外探测器之间，有一个光机扫描机构（焦平面热像仪无此机构）对被测物体的红外热像进行扫描，并聚焦在单元或分光探测器上，由探测器将红外辐射能转换成电信号，经放大处理、转换或标准视频信号通过电视屏或监测器显示红外热像图。 原理 红外线是一种电磁波，具有与无线电波和可见光一样的本质。红外线的发现是人类对自然认识的一次飞跃。利用某种特殊的电子装置将物体表面的温度分布转换成人眼可见的图像，并以不同颜色显示物体表面温度分布的技术称之为红外热成像技术，这种电子装置称为红外热像仪。 这种热像图与物体表面的热分布场相对应；实质上是被测目标物体各部分红外辐射的热像分布图由于信号非常弱，与可见光图像相比，缺少层次和立体感，因此，在实际动作过程中为更有效地判断被测目标的红外热分布场，常采用一些辅助措施来增加仪器的实用功能，如图像亮度、对比度的控制，实标校正，伪色彩描绘等高线和直方进行数学运算、打印等。 红外成像系统简介 红外技术是一门研究红外辐射的产生、传播、转化、测量及其应用的技术科学。任何物体的红外辐射包括介于可见光与微波之间的电磁波段。通常人们又把红外辐射称为红外光、红外线。实际上其波段是指其波长约在0.75μm到1000μm 的电磁波。通常人们将其划分为近、中、远红外三部分。近红外指波长为 0.75-3.0μm；中红外指波长为3.0-20μm；远红外则指波长为20-1000μm。由于大气对红外辐射的吸收，只留下三个重要的“窗口”区，即1-3μm、3-5μm 和8-13μm可让红外辐射通过。 红外探测器是红外技术的核心，它是利用红外辐射与物质相互作用所呈现出来的物理效应来探测红外辐射的传感器，多数情况下是利用这种相互最用所呈现出的电学效应。红外探测器主要分为光子探测器和热敏感探测器两大类型。其中，光子探测器按原理啊可分为光电导探测器、光伏探测器、光电磁探测器和量子阱探测器。 光子探测器的材料有PbS,PbSe,InSb,HgCdTe(MCT),GaAs/InGaAs等，其中HgCdTe和InSb斗需要在低温下才能工作。光子探测器按其工作温度又可分为制

机器视觉技术发展现状文献地的综述

机器视觉技术发展现状文献地的综述 一、机器视觉简介机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和 判断。机器视觉主要利用计算机来模拟人的视觉功能，再现于人类视觉有关的某些智能行为，从客观事物的图像中提取信息进行处理，并加以理解，最终用于实际检测和控制。机器视觉是一项综合技术，其包括数字处理、机械工程技术、控制、光源照明技术、光学成像、传感器技术、模拟与数字视频技术、计算机软硬件技术和人机接口技术等，这些技术相互协调才能构成一个完整的工业机器视觉系统[[]郭静，罗华，张涛、机器视觉与应用[J]、电子科技，全文结束》》,27(7)： 185-188] o机器视觉强调实用性，要能适应工业现场恶劣的环境，并要有合理的性价比、通用的通讯接口、较高的容错能力和安全性、较强的通用性和可移植性。其更强调的是实时性，要求高速度和高精度，且具有非接触性、实时性、自动化和智能高等优点，有着广泛的应用前景[l]o一个典型的工业机器人视觉应用系统包括光源、光学成像系统、图像捕捉系统、图像采集与数字化模块、智能图像处理与决策模块以及控制执行模块。通过CCD或CMOS摄像机将被测目标转换为图像信号，然后通过A/D 转换成数字信号传送给专用的图像处理系统，并根据像素分布、亮度和颜色等信息，将其转换成数字化信息。图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特

征，如面积、数量、位置和长度等，进而根据判别的结果来控制现场的设备动作［1］。机器视觉一般都包括下面四个过程： 二、机器视觉的发展历史机器视觉是在20世纪50年代从统计模式识别开始，当时的工作主要集中在二维图像分析、识别和理解上。从20世纪70年代才真正开始发展，并涌现出了主动视觉理论框架、基于感知特征群岛物体识别理论框架等新的概念、方法及理论。Marr视觉计算机理论是视觉研究迄今较为完善的理论，其使视觉研究有了一个较为明确的体系［［］曹国斌，刘雪娇，王华.图像和机器视觉技术概述［J］、电子工业专用设备，全文结束》》（8）：27-31?］o Marr视觉理论从计算视觉理论出发，将立体视觉分为自上而下的三个阶段，即早期的二维视觉数据获取、中期的要素处理和后期三维信息的形成和表达。经历这单个阶段即可完成二维到三维的转换工作、图2 Marr理论框架的三个阶段早期阶段的“要素图” （primarysketch）是由二维图像中的点、直线、曲线和纹理等特征组成，早期阶段的处理是从图像中获取这些特征。中期阶段的处理是处理特征要素的位置和相互关系，从而完成对物体的识别、运动分析和形状恢复等操作，该阶段处理的结果仅仅是对空间场景的二维半描述。如若要完成对空间场景的真正三维描述，还需第三阶段的后期视觉处理，将物体自身坐标统一到一个世界坐标系中［3］。作为立体视觉的基础理论，Marr理论具有极其重要的指导作用，但肋仃理论自身有缺陷，如单向性（视觉处理只能从前至后处理）、被动性（视觉处理只能是给什么图像处理

大视场离轴三反光学系统设计

14红外2017年8月文章编号：1672-8785(2017)08-0014-05 大视场离轴三反光学系统设计 罗秦以3张冬冬1钮新华^ (1.中国科学院上海技术物理研究所，h海200083 ; 2.中国科学院红外探测与成像技术重点实验室，上海200Q83; 3.中国科学院大学，北京100〇49) 摘要：针对地球环境j s感的大视场和宽光谱的应用需求，在同轴三反学系统的基 础上，通过视场离轴实现了无中心遮拦，并设计了一种焦距为12〇m m、F数为3.5、工 作波长为〇,4?I.65啤、像元尺寸为7.5 n m以及采用C o o k三片式结构的光学系统。在 没有使用自由曲面的情况下，实现了 30°x4°的大视场.其中，主镜为六次双曲面，次 镜为二次扁椭圆面，三镜为四次扁椭圆面。在全视场范围内，该系统在奈奎斯特频率 处的调制传递菡数（Modulation Transfer Rm etion,M T I?)大于0,6，接近翁_射极限。:其藝 散斑崖径的均方根值小于探_器的像元尺寸，畸变小于2.5%，说明本文系统具有优良 的成像性能》 关键词：光学设计；大视场；离轴三反光学系统 中图分类号：TH703 文献标志码：A DOI:10.3969/j.issn.l672-8785.2017.08.003 Optical Design of OfF-axis Three-mirror System with Wide Field LUO Qin ZHANG Dong-dong x,NIU Xin-hua 1 (1. Shanghai Institute of Technical Physicsf Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 2. Key Laboratory of Infrared System Detection and Imaging Technology, Chinese Academy of Sciences, Shanghai 200083, China; 3. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China) Abstract: To meet the application needs of wide field and wide spectrum of earth environment remote sensing, a center without obstructing is realized by means of field off-axis on the basis of coaxial three- mirror optical systems. An optical system with a Cook three-mirror structure is designed. The optical system has its focal length of 120 mm, F number of 3.5, operating wavelength of 0.4 to 1.65 \xm and pixel size of 7.5 |j.m. it realizes the 30° x 4° large field of view without any free-form surfaces. In the optical system, the primary mirror is a 6 times hyperboloid; the second mirror is a secondary flat ellipse and the third mirror is a 4 times flat ellipse. The system has its Modulation Transfer Function (MTF) greater than 0.6 at the Nyquist freaquency in the whole field of view, which is close to the diffraction limit. Its RMS dispersion spot diameter is less than the pixel size of the detector and its distortion is less than 2.5%. These results show that the system has excellent imaging performance. Key words: optical design; wide field; ofF-axis three-mirror system 收稿日期：2017-03-19 作者简介：罗秦（1992-)，男，江西抚州人，硕士研究生，主要从事光学系统设计方面的研究。 E-mail: luoqin888@https://www.wendangku.net/doc/d55757645.html, I nfrared(monthly)/V ol.38, No.8, A ug 2017https://www.wendangku.net/doc/d55757645.html,/hw