高次非球面相机成像系统设计与研究

发布时间：2020-11-07 15:46

　　 机载相机研制过程中,镜头光学结构的设计和相机组装完成后的调试是决定机载相机成像质量的关键步骤。本文对机载相机镜头进行设计,并对调试机载相机的模拟成像系统进行研究,使用ZEMAX优化软件设计一种机载相机成像镜头结构,通过分析载机的空中实际运行姿态,搭建地面模拟成像系统,主要的研究内容如下:首先对机载相机光学镜头进行设计,针对优化过程中存在的五种基本像差,分析其形成原理及优化方法,使用双高斯结构作为光学初始结构,分别通过添加球面镜与非球面镜优化光学系统,对比分析两种光学结构的MTF值,弥散圆半径与结构复杂程度,非球面光学结构的各项指标均优于球面光学结构,采用非球面结构投入实际研制,对研制出的非球面镜进行表面检测。对于成像系统的搭建,主要设计了地面景物模拟装置、三轴姿态模拟转台、二轴外力拟时转台装置的机械结构,三轴姿态模拟转台、二轴外力拟时转台装置是通过对载机实际运行建模分析后进行轴系设计搭建整体系统,地面景物模拟装置则是通过分析载机实际运行速度,计算得到速度参数匹配进行设计搭建,对相机部分及外力拟时转台部分使用Hyper Mesh软件进行有限元前处理,使用NASTRAN软件进行静力学和模态分析,确保机械结构合理后投入实际加工。最后搭建整体成像系统并进行地面模拟成像实验,三轴姿态模拟转台配合二轴外力拟时转台对不同高度下俯仰、横滚、偏摆姿态影响下机载相机进行模拟成像,采集图片并分析,根据采集图片对相机进行调整,提高相机成像质量,进行室外的实际景物成像实验,验证非球面相机调试后的实际成像质量。
【学位单位】：长春工业大学
【学位级别】：硕士
【学位年份】：2020
【中图分类】：TP391.41
【部分图文】：

第1章绪论1第1章绪论1.1课题概述1.1.1课题来源本课题来源于科技部重点研发计划项目：“信息使能的复杂光机功能部件制造关键技术研究”（项目编号：2016YFE0105100）。1.1.2课题研究背景及意义随着科技的发展和加工技术的进步，机载相机的应用领域在近几年渐为广泛，机载相机，即挂载安装于无人机等航空机械上，在百米甚至千米以上的高空对地成像的光学设备，多应用于空中勘测的研究如地质勘探、建筑设计勘测、地形地貌勘测森林调查、云图气象预测等方面[1]如下图1.1所示，就是机载相机搭载于航空机械设备在空中获取的部分图像信息，经过参数调整和计算机处理后提供图片数据供相关研究[2]。图1.1各类航空相机航拍图片机载相机是一种应用较早的观测设备，随着科技发展已经形成广泛的分支体系，其应用的起源于20世纪初的两次世界大战，为了满足对战场形势分析，军事部署等需求，结合当时的相机制造技术研发出了早期的机载侦察相机，如图1.2所示为近代美国Goodrich公司所研制的用于侦查的机载相机DB-110及其整体吊舱结构，DB-110相机是一种多功能、多波段的机载相机[3]。

第1章绪论2图1.2DB-110机载相机及其吊舱结构与普通相机不同，机载相机的工作环境复杂，其一般应用于百米甚至千米的高度对地成像，高空的气流和载机自身动力等因素会对其姿态造成影响，从而机载相机的成像质量也会受到影响，这就对机载相机的性能及其成像的调试技术提出了更高的要求[4]，传统的测试方法为将组装好的机载相机设备搭载到试验载机上，利用载机将相机设备带入到实际工作环境中，采取其测得的图片，观察其实际的图片清晰度等各项成像指标，然后对相机进行调试，在调试之后重复搭载于载机继续检测调试，周而复始，这样的相机调试方法不仅繁琐，而且每一次实际载机运行花费巨大，同时在高空环境中的各种不确定因素较多，有检测不到可靠图像数据的概率，为了提高机载相机的检测效率同时可降低检测所需要的成本，研制一套在地面实验室内即可模拟机载相机所处高空环境的成像系统测试设备就显得尤为必要。现如今，国内外机载相机的地面检测成像系统的相关资料显示此种成像系统的研究还有待深入。因此，根据机载相机的实际工作的环境情况及其成像特点，对其进行设计，从而研制出一套在地面环境下就可以模拟机载相机在空中成像的设备是具有意义的，将机载相机搭载在此模拟装置上，模拟实际工作环境的姿态运动，为机载相机的调试提供可靠图像数据，从而调节达到高质量图像成像效果。本课题自主研发了一种应用非球面镜的机载相机光学成像镜头，在减少所需镜片数量的基础上同时提高了相机的成像质量，搭载于自主研制的模拟成像装置之上模拟调试，本课题设计的模拟成像系统在地面环境即可模拟不同高度下俯仰、横滚、偏摆姿态对机载相机成像质量的影响，搭配实时的外力模拟，调试机载相机的成像质量，简化了机载相机实际实验的繁琐过程及其高

第1章绪论31.2成像光学的发展现状本课题首先设计一种机载相机镜头光学结构，属成像光学范畴领域，成像光学发展历史悠久，按照史书文献记载，最早对成像光学的记录为早期两千四百年前墨翟(墨子)及其弟子的小孔成倒像的实验[5]。而对于成像光学的应用则源于1668年-牛顿反射望远镜的设计，其原理如下图1.3所示，牛顿基于反射原理通过平面镜和凹面镜的组合提升了像的放大倍率[6]。图1.3牛顿望远镜原理1839年，法国摄影师路易达盖尔研制出世界上的第一款商品相机如下图1.4所示，相片画幅尺寸可达到16.6*21.5cm[7]。图1.4达盖尔相机1841年，光学家沃哥兰德发明了第一台全金属机身的照相机[8]。这部相机的最大特点是安装了一个特别的摄像头，相对孔径可达1：3.4。1890年，卡尔蔡司和奥托肖特、及恩斯特阿贝共同发明了一种正光摄影镜头，可以高效的消除像散影响[9]。近些年来，随着计算机技术和光电子加工技术的逐渐发展，成像光学系统应用领域呈现出多样化发展趋势。如图1.5所示，成像光学的涉及领域逐渐从相机，望远镜，显微镜等传统光学结构逐渐向无人车识别，高精密监控，无人机机载成像等高端科技方向，向着高精度、自动化、智能化等领域发展[10]。
【参考文献】

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本文编号：2874152