基于光场相机的光学元件损伤在线检测技术研究

发布时间：2017-12-14 19:04

  本文关键词：基于光场相机的光学元件损伤在线检测技术研究

  更多相关文章： 光学元件损伤 在线检测 光场相机 参数设计 自动化标定方法

【摘要】：在高功率激光系统中,光学元件缺陷的散射、衍射等效应,会造成光能量衰减,影响光学系统的性能;当光功率足够大时,在激光辐射下元件缺陷会发生内爆对元件造成不可逆转的伤害,导致元件报废,甚至会危及整个光学系统。为及时检测和更换存在损伤的光学元件,避免元件内爆对系统造成危害,有必要对系统中的光学元件进行在线监测。然而,在现有的在线损伤检测技术中,多个光学元件的像面会发生重叠,而且在定位损伤元件时,需要采用调焦的方式依次对焦于不同位置处的元件。此外,当光学元件之间间距较近时,上述方式难以准确甄别损伤元件的具体位置。对于光路复杂、光学元件繁多的大型激光系统,这将严重影响在线损伤检测的效率,为解决该问题,本文将单镜头三维成像相机(光场相机)引入到光学元件损伤在线检测与定位技术中。首先,对于待检光学系统,需要设计光场相机的结构参数,使其景深、深度分辨率、空间分辨率等满足相应光学系统中光学元件损伤在线探测与定位的需求。因此,本文借鉴前人的研究经验,从几何光学成像模型出发,系统总结与推导了光场相机性能参数与结构参数之间的关系,作为设计光场相机的参考指南。另外,为明确微透镜阵列口径较小时光场相机的成像模型,同时为进一步揭示光场相机成像本质,本文从物理光学的角度出发分析并数值仿真了光场相机成像过程。其次,考虑到光学系统中光路狭长(光路长度一般大约为数米到数十米,通光口径一般大约为几毫米到几百毫米),在采用基于光场相机的在线损伤检测方法时,需要光场相机的景深足够长。目前,在光场相机的设计与研究中,为拓展光场相机景深,多焦距微透镜阵列被引入到光场相机。此外,伴随着光场相机的不断发展,非规则排布微透镜阵列也有可能被引入光场相机,用于优化光场相机性能。多焦距或非规则微透镜阵列对光场相机的标定方法形成了挑战,针对该问题本文提出了基于数学形态学的光场相机自动标定方法。该标定方法无需微透镜阵列参数等先验知识便可实现光场相机的自动化标定,提高了光场相机标定方法的鲁棒性。最后,为验证基于光场相机的在线损伤检测方法,本文进行了原理验证实验。在实验中,首先搭建了光学系统的模拟光路;然后,根据具体光路设计了光场相机参数,搭建了光场相机实验样机;随后,采集损伤原始图像,实现光场相机复眼图像处理算法,包括损伤特征点提取与匹配、深度测量算法、损伤深度伪彩处理算法等。最终,验证了本论文所提出方法可行性。本文提出了一种基于光场相机的光学元件损伤在线检测与定位方法,是一种新的在线损伤检测技术。在几何光学模型下系统总结与推导了光场相机性能参数与结构参数的量化关系,用于指导光场相机的参数设计;提出了一种基于数学形态学的光场相机自动化标定方法,提高了光场相机标定的鲁棒性与智能化水平。搭建了光场相机实验样机,实现了光场相机复眼图像处理算法,完成了基于光场相机的光学元件损伤在线检测与定位的原理验证实验,同时也对拓展光场相机的应用领域产生积极的作用。
【学位授予单位】：中国科学院光电技术研究所
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TP391.41

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