光学方法（精选十篇）
光学方法 篇1
自然水体中, 不管是淡水还是盐碱水体, 都含有溶解物质和粒子物质。溶解物质和粒子物质的类型和浓度在各种水体中变化很大, 这直接影响水体的光学性质。自然水体的光学特性与生、地、化要素以及物理环境密切相关, 因此研究自然水体的光学特性有很重要的意义。
19世纪初海洋研究者开始利用透明度盘目测自然光在海水中的垂直衰减。19世纪末海洋学家开始注意研究海洋的光学特性, 并采用光电方法测量了海洋的辐照度。20世纪30年代瑞典等国的科学家设计了最初的海洋光学仪器, 用以测定海水的光辐射场分布、体积衰减系数和散射系数。20世纪60年代, Preisendorfer提出了比较系统的海洋光学辐射传递理论, 根据海洋中光学特性是否随光场分布变化定义了海洋的固有光学特性和表观光学特性。本文主要介绍自然水体的固有光学参数以及当前测量固有光学参数最常用的仪器。
1 固有光学参数介绍
固有光学参数包括光谱吸收系数、散射系数、衰减系数和体散射函数等。影响海水固有光学参数的海水组分主要包括:纯海水、悬浮颗粒物和有色可溶有机物 (CDOM) 。水体总吸收系数与总散射系数分别为海水各组分吸收系数与各组分散射系数之和[3,6]。
其中, a (λ) 表示水体总吸收系数, wa (λ) 、aph (λ) 、da (λ) 、ga (λ) 分别表示纯水、浮游植物叶绿素、非色素悬浮颗粒物、有色可溶有机物的吸收系数;b (λ) 表示水体总散射系数, b w (λ) 、bp (λ) 分别表示纯水和悬浮颗粒物的散射系数;bb为总后向散射系数, 分别表示纯水和悬浮颗粒物后向散射的比例系数。
2 测量固有光学参数的仪器
2.1 ac-s高光谱吸收衰减测量仪
固有光学参数中的吸收系数a和衰减系数c可以由美国WET Labs公司生产的ac-s高光谱吸收衰减仪[7]测量, 该仪器是目前国际海洋光学和海色遥感界公认的吸收系数和衰减系数现场测量标准仪器。较清洁海水中吸收管和衰减管均25cm长, 直径φ=8mm, 被安置于仪器中部。吸收管为全反射石英内壁, 衰减管为全吸收内壁。光源由两个白炽灯 (钨丝) 提供两束平行光分别进入吸收管和衰减管, 被安置于仪器下部。两个光电接收器 (二极管) 分别接受吸收管和衰减管顶端的光信号, 被安置于仪器上部。吸收管和衰减管的入水口在下方, 出水口在上方, 出水口处接水泵, 使两管内海水由下向上流动[7]。
现场测量的ac-s原始数据需按仪器使用说明书进行以下各项数据校正。
1) 纯水定标。正常情况下, ac-s测量纯水时, 经过校正后得到的吸收系数和衰减系数应该接近于0。然而ac-s作为高精密光学仪器, 随使用时间的延长, 光学器件自身的老化会导致测量结果出现非常明显的漂移, 忽略纯水定标会对测量数据的进一步分析带来严重的误差;
2) 温盐校正。由于仪器定标温度与现场实测温度有一定差异, 现场测量数据受温度影响比较大, 尤其对红光波段的影响比较严重, 因此, 必须对现场实测数据进行温度校正。由于仪器定标用的是纯水定标, 而实测海水盐度一般在30psu左右, 因此还需要对实测数据进行盐度校正。ac-s测量的吸收系数am和衰减系数cm为海洋水体所有物质的吸收系数at和衰减系数ct减去纯水的吸收系数aw和衰减系数cw后的结果。
温度和盐度校正公式如下:
其中t和tr分别是现场实测温度和参考温度, S是盐度, ψt为温度校正系数, ψsa和ψsc分别为吸收系数和衰减系数的盐度校正系数, amts和cmts分别为温盐校正后的吸收系数和散射系数。
3) 反射管散射校正。ac-s吸收管内壁具有全反射特性, 实际往往无法达到理想效果, 反射管并不能完全反射所有散射光, 最终导致测量到的吸收系数偏高, 目前最常用的散射校正有3种方法。
(1) 选取近红外波段 (715nm附近) 作为参考波段, 假设在该波段附近海水中粒子和溶解物质对光吸收没有任何贡献, 只有散射对吸收管测量的结果有贡献, 这部分贡献正是反射管的散射误差。散射校正时, 进一步假设其体散射函数的形状和大小与波长无关, 将吸收系数做完温盐校正后减去该散射误差。
(2) 假设各个波段的散射误差与相应波段的散射系数b (λ) 存在固定比例关系, 其中b (λ) =c (λ) -a (λ) , 即:
其中比例系数k由现场测量中的经验统计得到, 不同水体中比例系数k值也不相同。如果水体散射以浮游植物为主导, k值约为0.14, 若水体散射以悬浮物为主导, k值约为0.18[7]。
(3) 假设存在一个参考波段, 该波段粒子和可溶有机物的吸收系数为0, 并且假设体散射函数的形状与波段无关, 散射误差大小随波段和海洋水体类型而变化, 即:
三种散射校正方法中, 前两种计算方法较为简便, 第1种计算方法假设所有波段散射误差相同并不十分准确;第2种计算方法虽然可以对各波段进行散射校正, 但是k非常难确定;第3种方法是前两种方法的综合, 该方法需要多个参考量, 算法比较复杂, 但是该方法能够自动确定散射校正因子。因此, 在数据散射校正中建议采用第三种方法。
2.2 BB9高光谱后向散射仪
固有光学参数中后向散射函数bb可以由BB9高光谱后向散射仪测量得到, 该仪器是美国WET Labs公司生产的ECO系列产品, BB9仪器包含3个BB3仪器和一个ECO数据多路转换器, 每个BB3仪器提供3个不同波段的的后向散射测量功能。BB9可以测量117度角的散射, 该角度取决于水体本身和悬浮物引起的体散射函数的变化, 因此该仪器测量的信号更直接的与水体中物质的浓度有关, 很少受水体中物质的大小和类型影响。BB9使用的光源为9个LED发光二极管, 探测器的设计与光束成117度夹角[8]。
在现场测量时BB9可与ac-s同时下放, BB9自身没有压力传感器, 因此需要通过时间计数的关系与ac-s的时间匹配, 利用ac-s的压力传感器换算成深度, 再由WAP软件自带的BB9设备文件自行进行校正。
3 结论
本文对海洋光学固有光学参数以及目前国际海洋光学和海色遥感界普遍采用的固有光学参数测量方法做了简要介绍。文章根据出海实验中积累的实际经验, 对现场测量中ac-s高光谱吸收衰减测量仪和BB9后向散射仪原始数据处理时应注意的问题进行了简要分析。在现场测量中应严格遵循其操作规范, 并根据各类数据参照对比做进一步的质量控制, 这对确保海洋光学研究结果的可靠性极为重要。
摘要：海洋光学固有光学参数主要包括吸收系数、散射系数、衰减系数和体散射函数, 这些参数仅取决于海水本身的物理特性, 是海洋光学研究的基本参数。本文主要介绍了固有光学参数以及目前国际海洋光学和海色遥感界最常用的固有光学参数测量方法。
关键词：固有光学参数,吸收系数,后向散射系数
参考文献
[1]冯士筰, 李凤岐, 李少菁.海洋科学导论.高等教育出版社, 1999.
[2]刘智深, 关定华.海洋物理学.山东教育出版社, 2004.
[3]Curtis D.Mobley.Lighter and Water:Radiative Transfer in Natural Waters.Academic, San Diego, Calif, 1994.
[4]Seely Martin.An introduction to Ocean Remote Sensing.Cambridge University Press, 2006.
[5]R.W.Preisendorfer.Application of radiative transfer theory to light measurements in the sea.IUGG Monographs, 10, 1961.
[6]陈立贞.中国海垂直非均匀海洋海洋光学特性进一步研究.硕士论文, 中国海洋大学, 2012.
[7]Spectral Absorption and Attenuation Meter Uaer’s Guide.WET Labs, Inc.2009.
LED光学参数测试方法研究 篇2
通过分析LED(发光二极管)发光机理和封装特点,选择了LED需要测试的光学参数:光通量、亮度、发光强度、空间光强分布、相对光谱功率分布及色度,进而研究了每个光学参数的.特点.根据其特点,制定了每个光学参数的测试原理以及相应的计算公式,最终确定了各参数的测试方法.设计了LED光通量测量系统、亮度和发光强度测量系统、发散角及空间光强分布测量系统、相对光谱功率分布及色度测量系统.实际应用表明:这些系统均能满足目前工作需要.
作 者：吴宝宁 李宏光 俞兵 曹锋 邝自力 WU Bao-ning LI Hong-guang YU Bing CAO Feng KUANG Zi-li 作者单位：吴宝宁,李宏光,俞兵,曹锋,WU Bao-ning,LI Hong-guang,YU Bing,CAO Feng(西安应用光学研究所,国防科工委光学计量一级站,陕西,西安,710065)
邝自力,KUANG Zi-li(西安通信学院,数理教研室,陕西,西安,710106)
鱼眼镜头光学系统的优化方法 篇3
在鱼眼镜头成像系统中，光线以很大的入射角打在前组透镜表面时往往会造成严重的像差，为了压缩超大视场角，提出应用非球面前组负弯月型透镜来控制鱼眼镜头系统的像差。基于光学前组具有平面对称的成像特性，应用平面对称光学系统像差理论发展的评价函数，对非球面系数及其他的系统结构参数进行优化设计。应用评价函数及Zemax光线追迹成像模拟对优化系统进行评估。研究表明，应用非球面组负弯月型透镜能够显著地提高鱼眼镜头的成像质量。
关键词：
光学设计； 鱼眼镜头； 平面对称； 非球面； 像差
中图分类号： TH 744文献标志码： Adoi： 10.3969/j.issn.10055630.2015.05.007
引言
鱼眼镜头系统是一种超大视场角的光学成像系统，其视场角可以达到180°甚至270°，可以摄取普通镜头无法比拟的场景。鱼眼镜头光学系统通常由压缩视场角的前组负弯月型透镜和后组物镜组成，由于结构的复杂性，高质量的鱼眼镜头设计和制造比较困难。赛德尔像差理论主要适用于轴对称光学系统的像差分析，但对于鱼眼镜头光学系统的超大视场物点成像，光线以很大入射角（可能大于80°）打在其前组负弯月型透镜上，造成比较严重的像差。光线经前组光学系统成像后在子午和弧矢平面内的聚焦及波阵面参数可能完全不一致，成像具有平面对称而不是轴对称光学系统的特性，赛德尔像差不再适用于此类光学系统的成像分析。
目前，Lu等应用波像差的方法发展了普遍的平面对称光学系统的像差理论[35]；并基于平面对称光学系统像差理论发展了超大视场光学系统的优化设计方法[67]。本文在这些工作基础上，针对鱼眼镜头前组光学系统的成像特点，基于平面对称光学系统像差理论，采用非球面前组光学系统设计，有效地抑制系统的像差，达到优化鱼眼镜头成像的目的。
3结论
在光学系统中应用非球面可以改进光学成像质量，但如何有效地应用非球面控制系统的像差仍然是个有待研究的问题，毕竟非球面的运用会增加制造成本。本文针对鱼眼镜头的结构特点，设计非球面前组光学透镜来有效控制光学系统的像差，并应用平面对称光学系统的像差理论来优化鱼眼镜头系统的像
差。这个思路在目前研究鱼眼镜头的文献报道及专利中都没有得到体现。数值分析结果证实了我们的优化方法是有效的。
参考文献：
[1]王永仲.鱼眼镜头光学[M].北京：科学出版社，2006：222238.
[2]MOORE L B，HVISC A M，SASIAN J.Aberration fields of a combination of plane symmetric systems[J].Optics Express，2008，16（20）：1565515670.
[3]LU L J.Aberration theory of planesymmetric grating systems[J].Journal of Synchrotron Radiation，2008，15（4）：399410.
LU L J，DENG Z Y.Geometric characteristics of aberrations of planesymmetric optical systems[J].Applied Optics，2009，48（36）：69466960.
[5]LU L J，HU X Y，SHENG C Y.Optimization method for ultrawide angle and panoramic optical systems [J].Applied Optics，2012，51（17）：37763786.
[6]常欢，吕丽军，刘鑫，等.混入逃逸函数的遗传算法优化超大视场光学系统[J].光学仪器，2013，35（4）：2733.
[7]王泽民，吕丽军.混入逃逸函数的实数编码遗传算法优化光学系统[J].光子学报，2014，43（6）：0622001.
[8]MULLER R.Fish eye lens system：USA，4525038[P].19850625.
背光模组光学设计方法 篇4
关键词：背光模组,狭窄化方法,微结构法,扩散点方法,反射
1 背光模介绍
无自发光性质的液晶材料已被广泛应用在如电视、电脑、手机等不同尺寸的液晶显示器上, 而为了达到显像之目的, 必须搭配光源照射液晶。由于光源一般置于液晶面板之后, 所以称背光, 而面板之后包含光源的所有元件总成称为背光模组。背光模组包括光源和反射及折射的光学装置, 依据光源位置的不同, 背光模组一般可分为侧光式及直下式) 两种。侧光式背光模组一般常用于中小型显示器, 如笔记本、PDA及手机萤幕等。导光板之功能主要是将侧边的光线导向正面之视线方向, 并达到亮度均匀之效果。导光板为侧光式背光模组的关键组件, 其主要之功用是将光线由边缘导向视线方向, 故为侧光。为达到高亮度及亮度均匀之要求, 导光板之光学设计就显的格外的重要, 目的是希望借由光学设计之手段将集中于边缘之光线借由导光板均匀地导到整个平面视角。一般在导光板设计, 我们常可发现三种常使用之方法, 分别为一, 狭窄化方法, 这是一般导光板为何一般采用楔形形状之原因, 在不同灯管的配置下楔形的形状也有不同。二, 微结构方法, 即在导光板上下表面加入一些锯齿或半圆形之微结构, 在狭窄化及微结构方法中一般是是使用射出成型之方式来制作。三, 扩散点, 为一般导光板所使用之网点, 网点的制作一般是利用网版印刷方式来印制, 这些扩散点是由高反射率且不吸收光之颜料所制成。扩散点不均匀地分布在导光板下边, 在靠近光源导光板比较近处之扩散点分布密度较疏而且网点比较小, 远离光源导光板较远处之扩散点分布较密且网点较大。
2 背光模组光学设计原理
2.1导光板光学原理
一般导光板材料为压克力, 其折射系数大约1.48, 所以相对之全反射之临界角大约为42度要入射角大于42度时光线就会发生全反射之现象, 即使入射光线是打在透明的面上, 利用棱镜面全反射的例子。这是在全反射中特别要注意的, 即使在透明的面上, 利用全反射原理也能将光线反射在导光板的应用中也常会利用到。
以下介绍导光板设计中常用的三种方法。
(1) 狭窄化方法。
楔形导光板是比较常见的导光板形状, 其采用楔形形状之主要目的也是靠导光板形状的改变来破坏全反射。由此光源打入导光板中之光线称为入射光。入射光与上下压克力板之法线夹角大于42度, 由前面讲的全反射原理, 此光线会在压克力介质中来回的依照入射角等于反射角的定理作全反射, 使光线在导光板中传递。当光线遇到狭窄的上下表面时, 入射角与上表面法线 (或下表面) 之间的夹角, 即入射角, 会因逐渐狭窄之表面而变小。当其入射角小于全反射临界角时, 光线即从狭表面透出, 因其全反射条件被逐渐变小的入射角被破坏, 达到照明之效果。由于远离光源端之光线强度比较弱, 所以一般的导光板在远端面的厚度比较薄, 而近光源端的厚度比较, 一边厚一边薄之形状称为楔形板。
(2) 微结构方法。
在导光板之上下表面加入微结构为导光板中常用之方法, 一般又分为上表面微结构法及下表面微结构法两种。其所采用的原理各不相同。在上表面微结构法中主要采用的原理与前述狭窄化方法类似, 利用导光板几何形状的改变而破坏全反射, 光线路径随加入微结构而改变其入射角, 并使入射角变小, 破坏全反射而使光线射出导光板。上微结构法除采用在导光板之设计中外, 也采用背光模组棱镜的设计, 因为其有限制射出光线角度, 提高正面亮度之功用。除在上表面加入微结构外, 也会在导光板底部加入微结构, 达到增加光线的穿透性。然而在底部加入微结构与上表面加入微结构所应用之原理并不相同。在底部加入微结构主要想是利用斜面之全反射性质, 将入射至底面之光线反射至视角方向, 如以平行于底面之光线为例, 如其射线与斜面法线方向之夹角大于42度, 光线即将被该斜面反射至视角方向, 光线进入第二个斜面继续反射与折射的动作, 如以平行光线为例, 欲造成全反射之锯齿角度, 该入射角 (90-θ) 应大于42度, 即θ需小于4 8度时该斜面才具有全反射之能力。
(3) 加入扩散点方法。
在导光板底部会加入大小不一的扩散点, 并以不同密度分布在底面。扩散点的材料一般为具有高反射率之油墨材料, 以网点印刷之方式印在底面。扩散点之所以能将光线导出是利用散射原理, 将其入射光线散射后, 而穿透出导光板表面, 入射光线, 光线射至扩散点时, 将一条光线散射为多条光线, 这些被散射之光线, 当其入射角皆小于全反射临界角度时, 光线即透出导光板;而散射光线之入射角度仍大于全反射临界角之光线继续反射, 直至遇到下一个扩散点, 重复其散射过程。由于靠近灯管附近之光强度比较强, 所以在靠近光源之底面导光板的网点密度比较低, 且网点比较小而远离。光源之底面导光板的密度比较高且网点比较大。这样分布的主要目的是希望, 将光源强度比较强部分的部分散射较少的光线;而光源强度较弱的部分散射较多的光线, 来达到亮度均匀的要求。
3 结语
本人2006年大学毕业就从事显示器背光模设计, 到现在将进4年半, 其发展过程以及人们对设计概念的优化无不体现了技术科技日新月异。
光学方法 篇5
光学低空测量大气折射误差经验修正方法
对光学低空测量中的`大气折射误差修正方法进行了研究.利用历次试验的探空数据统计得出了经验衰减系数,解决了不具有探空测量条件下大气折射误差修正问题,同时,推导出了低空测量大气折射误差修正的经验公式,克服了传统方法中探空测量从负仰角到正仰角(小于10°)时计算过程中的驻点问题.试验数据处理结果证明,上述方法在大气折射误差修正中能保证精度要求,并且简单可行.
作 者：孙本大 作者单位：大连91550部队94分队,辽宁,大连,116023刊 名：四川兵工学报英文刊名：SICHUAN ORDNANCE JOURNAL年，卷(期)：31(4)分类号：V271.4关键词：低空测量 折射误差 经验公式 驻点
光学方法 篇6
关键词：斐索干涉仪； 干涉图； 平面面形检测； ASTM方法
中图分类号： TN 247 文献标志码： A doi： 10.3969/j.issn.1005-5630.2015.01.002
Abstract：In order to obtain the optical plane surface error， firstly interference fringes of optical plane were collected through Fizeau interferometer on a 100 mm optical flat. Then， according to American Society for Testing and Materials （ASTM） standard method， the optical plane surface was tested by analysis of the interference fringes with horizontal method and longitudinal method. The result tells the optical plane surface error qualitatively and intuitively. Finally， the values of the RMS and PV were calculated， and compared with the data collected by ZYGO interferometer. The difference between them is 10-3λ approximately. The result satisfies the requirement of optical testing. Thus， ASTM method is the effective choice if operability and precision are comprehensively considered.
Keywords：Fizeau interferometer； interference fringes； plane surface measurement； American Society for Testing and Materials （ASTM） method
引 言
干涉测量技术在微电子、微机械、微光学和现代工业等领域已得到广泛的应用，而且测量精度和
量程要求愈来愈高，可见干涉技术在光学测量中的重要地位。光学干涉测量技术是以光波干涉原理为基础，以光的波长为单位的一种计量测试方法，是检测光学系统、光学元件较为有效、准确的方法之一。其中斐索干涉仪具有共光路，系统误差较小的优点，常用于元件的面形测量。随着数字图像处理技术的不断发展，使干涉测量这种以光波长作为测量尺度和测量基准的技术得到更为广泛的应用。因为干涉测量技术本身具有灵敏度高、量程大、可以适应恶劣环境、容易溯源、无损伤等特点，在现代工业中应用非常广泛。利用斐索干涉仪检测光学平面，可以得到等厚干涉条纹图，按照美国材料与试验协会（American Society for Testing and Materials，ASTM）标准方法，分析干涉条纹分布并计算可以得出被测光学平面面形。
1 斐索干涉仪及实验原理
斐索干涉仪是一种常用于光学测量的等厚干涉仪，这种干涉仪属于分振幅干涉仪[1]。利用光波干涉原理而形成明暗相间的色带，很多场合都只用作定性分析的工具。其原理可由光的干涉来解释，假设参考平面下表面与被测件上表面之间的空气楔厚度为d，因为参考平面下表面与被测件上表面分别反射光线，则被测件反射面所反射的光比参考平面所反射光线多走了2d的距离，也就是产生了2d的光程差，形成两束光干涉所需的相位差，从而产生干涉条纹。干涉条纹可以肉眼观察，亦可以CCD照相取得。由干涉暗条纹数可以推算出空气楔间隔的大小，考虑光波从光疏介质进入光密介质波前相位改变180°，其干涉暗条纹的光程差满足条件
斐索干涉仪可以用于检测平面或球面的面形，也可以测量长度和平行度[2]，其干涉原理如图1所示。准单色光源（激光）发出的激光束经平面反射镜反射照射到聚光镜，经聚光镜会聚到小孔光阑1，利用光阑1位于准直物镜的焦平面的特点，使经准直物镜出射的光为平行光束。平行光经参考平面的下表面和被测平面的上表面反射形成两束反射光，再经半透半反射分束器反射后在光阑2处形成小孔光阑1的两个像，调整被测件使两光点像重合即可以看到反映被测件的面形的等厚干涉条纹。
2 干涉条纹采集
2.1 测量方法
将被测件的被测表面清洁后，放在标准平面下的承物台上。通过调节承物台方位使两表面反射光斑像重合，在光阑2处通过CCD可以采集到等厚干涉条纹。
2.2 实验设备
美国ZYGO公司制造的激光波面干涉仪为实验仪器，型号为VeriFire PE。该干涉仪是一种典型的斐索干涉仪[3]，采用常规移相（PSI）测量模式，能够提供常规高精度光学表面面形检测。因其具有Flash Phase动态测量方式，可实现在恶劣环境下（振动、气流影响等）对光学表面面形进行动态测量[4]。技术指标见表1。
nlc202309012232
实验中，利用ZYGO干涉仪采集到的干涉图如图2所示。
3 平面干涉图判读的ASTM标准方法
ASTM标准方法是指美国材料与试验协会于1980年规定的平面波阵面干涉图手工判读的标准方法[5]，有纵向法和横向法两种方法。
3.1 干涉图波面分析
3.1.1
纵向法
由实验采集到的干涉图，经纵向法分析得到的结果如图3所示。分析步骤如下：
（1）取干涉条纹为纵向取向，选取接近中心的一条干涉条纹，作切于该条纹的纵向直线AB。
（2）将AB线等分作平行线交AB于D点，相交相邻条纹于C、E点。
（3）测量出各平行线上的CD、CE线段，求出各等分点的CD/CE值。
（4）作出CD/CE值为横坐标，以等分点位置为纵坐标的位置关系曲线，可以得到近似波面形状。
3.1.2
横向法
由实验采集到的干涉图，经横向法分析得到的结果如图4所示。分析步骤如下：
（1）在与干涉条纹垂直的方向上并过干涉图中心点作直线AB。
（2）将AB与各条纹的交点定为采样点，记为E1、E2、E3、E4、E5、E6。
（3）以各采样点的位置为横坐标，以对应的条纹级次为纵坐标，得到各点记为C1、C2、C3、C4、C5、C6，并连接成平滑曲线。
（4）作出该曲线最接近的拟合直线，该直线与采样点所在垂直线交点记为：D1、D2、D3、D4、D5、D6。
（5）采样点对应曲线的纵坐标减去拟合直线的纵坐标，即可得到真实波面的误差，以采样点E2为例得误差C2D2。
（6）绘出各采样点的误差即可得到波面形状。
3.2 确定平面面形偏差
干涉条纹垂直放置，标记条纹[6]，如图5所示。具体方法如下：
（1）将条纹图整体呈垂直方向放置，从左到右记作1到N，要求条纹长度不能小于孔径直径的70%。
（2）找出每条标记的条纹的中心线。
（3）用直尺在干涉图上部画一条穿过所有条纹中心线的水平线l1，同样在干涉图的下部画第二条穿过所有已标记条纹中心线的水平线l2。
（4）用直尺测出两条水平线在干涉图上对应的长度，分别记为L1、L2。
（5）计算条纹的平均间距，计算式为
3.4 计算结果及实验对比
为提高数据精度，改进了原ASTM方法利用直尺测量获得数据的手段，在具体实验过程中的数据采集借助了图像处理工具。由图5测得L1=262 pixel，L2=263 pixel；由式（2）计算得f=52.5 pixel；由式（3）计算得Δfmax=10 pixel，按照式（4）计算得OPDf=0.190λ，代入式（6）计算得OPDλ=0.095λ；由式（8）计算得RMS=0.016λ；由式（9）计算得PV=0.190λ。
将上面的计算结果与利用斐索干涉仪实测的数据（PV=0.186λ，RMS=0.017λ）进行对比，两种方法得到结果存在一定的偏差（数量级为10-3λ），但能够满足测量要求，所以可以近似地认为利用ASTM方法得到的结果和利用干涉仪得到结果是一致的。
4 结 论
基于ASTM方法的光学平面波面干涉图分析结果，能够客观地反映出被测光学平面的面形偏差。按照该方法计算的波面偏差指标RMS和PV值与采用ZYGO干涉仪测得的数据对比，偏差数量级仅为10-3λ，符合光学平面检测要求。综合考虑可操作性和计算精度，这种基于ASTM的方法是一种行之有效的光学平面面形检测方法。
参考文献：
[1] 普朝光，李桂春.光波光学[M].北京：国防工业出版社，2013.
[2] 刘中本，权贵秦，田爱玲，等.光干涉测试技术[M].西安：陕西人民出版社，2002.
[3] 于毅.Zygo干涉仪及其应用的研究[D].天津：天津大学，2005.
[4] 权贵秦.光干涉法检测光学非球面面形研究[D].西安：西安电子科技大学，2011.
[5] 江晓军，刘正国，洪晓鸥，等.获取平面光学元件面形偏差的方法研究[J].电子科技大学学报，2010，39（4）：581-584.
[6] 苏东奇.光学面形绝对检测技术研究[D].长春：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，2013.
[7] 高波，李瑞洁，魏小红，等.关于光学元件面形评价参数峰谷值（PV）的分析[J].应用光学，2010，31（6）：1046-1049.
[8] 宫美望，刘文君.平晶检定时干涉条纹的快速调整方法与平面度计算[J].工业计量，2007，17（5）：8-11.
[9] 中国国家标准化管理委员会.GB/T 2831-2009 光学零件的面形偏差[S].北京：中国标准出版社，2010.
（编辑：程爱婕）
氧浓度光学检测方法及其新应用 篇7
将含光致发光探针的涂料喷涂到模型表面, 在特定波长激发光的照射下, 可发出荧光或磷光。在不同风速风洞实验中, 模型表面的发光强度场与压力场场强相关, 发光强度和风速成正比, 和氧压 (氧含量) 成反比, 从而使这种涂料具有类似压力传感器功能的特点, 称之为压力敏感涂料 (Pressure Sensitive Paint, PSP) (见图1) , 由高分辨率数字式CCD摄像头摄取模型表面发光强度的图像, 通过计算机图像处理, 可得到模型表面气流流态及压力分布, 即为PSP技术。此外, 也可用在汽车、高速机车、超高层建筑和跨海大桥的设计中的空气动力学测量 (见图2) 。
PSP技术的特点有∶ (1) 无接触和实时测量方法; (2) 可获得压力分布的连续图像, 并大大提高空间分辨率; (3) 可用于大曲率和特殊模型的测量; (4) 大大减少模型的加工周期和费用。
自20世纪80年代起, 前苏联中央空气动力研究院、美国华盛顿大学和美国国家宇航局 (NASA) 各自开始光学-压力的测量技术和压力敏感涂料的研究。90年代已可以应用于生产性风洞试验。到目前为止, 世界主要航空大国都进行该项技术研究, 一些研究机构已达到工程实用水平[6,7]。在国内, 20世纪90年代初, 中国科学院原感光化学研究所进行以钌基化合物为光敏探针的磷光类PSP特性研究, 但未能实用化。自20世纪末, 中国航空工业空气动力研究院与中国科学院化学研究所合作, 研制单组份和双组份压力敏感涂料, 并应用于跨音速风洞的实验研究[8,9,10]。到目前为止, PSP测量技术和压力敏感涂料的研究仅有20多年历史, 并仍在不断发展中, 但已被公认是一种先进的具有里程碑意义和最有发展潜力的无接触压力测量实验技术。
1 基本原理
物质分子受到合适波长的光 (hυA) 照射, 能够吸收能量, 使电子从基态 (S0) 向较高能级 (S1, S2, …) 跃迁, 处于激发态的分子可以通过辐射过程和无辐射过程等分子内去活化过程耗失获得的能量返回基态。Jablonski能级图 (见图3) 很好地描述各种光物理过程。其中辐射跃迁过程发生光子发射, 伴随着发光现象。这种发光按照激发态分子的特性可以分为荧光、磷光、激基缔合物荧光等。荧光 (hυF) 是从最低激发单线态S1回到单线基态S0所发生的发光过程;磷光 (hυP) 是从最低激发三线态T1回到单线基态所发生的发光过程;荧光或磷光的猝灭过程是导致发光强度降低的物理或化学作用过程。与发光分子发生相互作用而引起荧光强度下降的物质, 称为猝灭剂。发光猝灭过程可以分为动态猝灭和静态猝灭。动态猝灭是猝灭剂与发光物质的激发态分子之间发生相互碰撞而发生能量转移过程或电子转移过程。动态猝灭的效率与激发态发光分子的寿命和猝灭剂浓度有关。PSP中主要涉及荧光或磷光的动态猝灭。
涉及动态猝灭的发光过程如下式所示:
这个过程可以用Stern-Volmer (S-V) 方程[11]来定量描述:
式中, I和I0是猝灭剂浓度为[Q]时和没有猝灭剂时的荧 (磷) 光发射强度, kq是双分子猝灭过程的速率常数, Ksv是Stern-Volmer猝灭常数。激发态的能量衰减在没有猝灭剂的条件下服从一级反应动力学, 此时荧 (磷) 光寿命为t0;在有猝灭剂存在的条件下服从准一级反应动力学, 此时荧 (磷) 光寿命为t。测量不同猝灭剂浓度下的发光强度或荧 (磷) 光寿命, 并结合无猝灭剂时的发光强度或荧 (磷) 光寿命可以求得kq。
Stern-Volmer方程在推导时假定激发态探针周围介质的弛豫比探针在介质中的重排快得多, 则猝灭剂在溶液中的分布是均匀的, 猝灭剂在激发态探针周围的径向分布也是均匀的, 在这种情况下I0/I或t0/t与猝灭剂浓度成线性关系。
氧气是最有效的碰撞 (collisional) 猝灭剂之一, 几乎可以猝灭所有发光探针的荧光或磷光。图4是随氧浓度的增加荧光发射强度被猝灭的谱图。以荧光强度猝灭 (I0/I) 对氧浓度或氧压作图, 即S-V曲线 (见图5) 。由S-V曲线的斜率可以计算PSP的压力灵敏度。
2 PSP技术
PSP技术主要由压力敏感涂料 (PSP) , 测量系统 (包括激发光源系统、试验图像采集系统和试验图像处理系统) 和校准系统三部分组成, 本文对前两部分作一简要介绍。
2.1 测量系统
光学压力测量的原理 (见图3) , 其中光源的发射波长可为紫外光或可见光, 与涂料中探针分子的吸收波段相匹配。激发光通过光学系统经光纤均匀辐照到涂有PSP的被测物体表面;在流场中, 模型表面的荧光猝灭分布图像则由三维CCD照相机记录, 并由计算机进行图像处理, 获得压力分布数据 (见图6) 。
2.2 光学压力涂料 (PSP)
目前, 光学压力敏感涂料的种类较多, 分类也不同, 能够适应从低速到亚、跨和超音速流场下的测量需求。按所采用激发光源, 可分为紫外光激发的PSP和可见光激发的PSP, 前者从探针分子发出的为荧光, 而后者则为磷光;根据涂料组成不同可分为单组份涂料、双组份涂料甚至三组份涂料等;还可根据工作环境的不同可分为高温涂料、常温涂料和低温涂料等。不论何种涂料, 所要求的应用性能都由发光探针和分散探针的高分子基质材料所决定[12]。PSP的基本性能包括激发和发射波长的范围、压力灵敏度、压力光强的线性、温度的依赖性、成膜工艺性能和力学性能、储存稳定性等。这些性能取决于荧光探针的分子结构、基体材料的组成、探针在基体材料中的分布状况和探针分子与基体材料之间的相互作用等。
2.2.1 用于PSP的发光探针
PSP所采用的发光探针按激发光波长主要分为两类:紫外光激发和可见光激发。前者主要为稠环芳烃类有机化合物, 后者则为有机金属化合物, 稠环芳烃类发光探针包括芘类、十环烯类和苝类[13]等。在0～40kPa氧气压力下, 稠环芳烃可以有效地被氧气猝灭。探针分子可以分散在高分子基体中, 也可以吸附或通过共价键接枝到基体材料表面。以芘丁酸为探针的氧传感器已被用于测定生物组织中的氧气浓度及气体中的氧气浓度。芘在高分子膜中有较高的氧敏感度和较低的温度系数, 因此被广泛地用作PSP的荧光探针。有机金属化合物可以分为两类:一类是过渡金属多吡啶基络合物[14], 这类络合物中, 过渡金属是Ru2+, Re+, Os3+和Ir3+。另一类是金属卟吩化合物[15], 这类化合物中含Pd2+和Pt2+的分子是PSP中较常用的探针。这类探针具有较长的发光寿命。
2.2.2 用于PSP的高分子基体材料
高分子基体材料不但是荧光探针的分散介质, 同时氧必须透过成膜高分子才能与荧光探针发生碰撞和猝灭, 氧在高分子中的透过包括溶解和扩散两个过程, 其透过率P=S×D, 其中S和D分别为氧在高分子中的溶解度系数和扩散系数, 因此高分子的性质对PSP性质有很大影响。常用的高分子基体主要有以下四类:含硅聚合物、含氟高分子、玻璃态高分子及纤维素衍生物。
聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 是氧传感器上最常用的高分子基体[12]。含硅聚合物有很大的氧扩散系数, 但成膜后其机械强度不高。某些共聚改性的有机硅聚合物可形成微孔材料, 使氧的扩散系数提高10倍, 同时有较高的机械强度。由于含氟高分子中氟的电负性很强, 对氧具有较大的D和S值, 有较高的氧渗透系数, 可以满足较高的氧渗透系数和光稳定性要求[16], 适合用作PSP的高分子基材。室温下是玻璃态的高分子如聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯[12]、聚甲基丙烯酸异丁酯和聚氯乙烯等, 与有机硅高分子或含氟高分子相比, 氧气在膜中具有较低的渗透系数、扩散系数和溶解度, 但这类高分子膜具有较高的机械强度。纤维素衍生物如乙基纤维素、纤维素乙酸酯膜都有较好的机械强度[12]。以磷酸三丁酯为增塑剂的纤维素衍生物有较大的氧透过率, 也被用于PSP基体。
3 进展和发展趋势
3.1 快响应PSP[17]
为提高PSP对氧压变化的响应速度以适用于模型表面非定常流态压力分布的测量, 利用物理吸附或化学吸附的方法将发光探针吸附在经阳极化处理过的铝表面或硅胶板表面。与发光探针分子分散在高分子基体材料中成膜相比, 由于氧和发光探针分子的碰撞猝灭在涂层表面进行, 无需氧穿透高分子膜的过程, 最快响应速度可达到20～40 ms。
3.2 掺杂PSP[18,19,20]
在芘/聚二甲基硅氧烷PSP体系中, 掺杂少量酞菁-金属配位化合物, 由于配位化合物与发光探针芘的电子给体-受体行为能改变芘的激发态能量传递性质, 从而影响它的荧光寿命和猝灭效率;此外, 同样具有平面结构的酞菁和芘的相互作用, 又可能对芘产生稳定化作用, 不但增加氧猝灭的压力灵敏度, 同时也降低氧猝灭的温度依赖性。
3.3 发光探针的高分子化[21]
为解决发光探针分子在高分子基体材料中分布不均匀导致发光强度随压力变化的S-V关系偏离线性, 以及探针分子的迁移作用, 最近报道将发光探针分子标记在可透氧的高分子链上的研究, Obata等分别合成含铂的共聚物, 所制得的氧压敏感膜的稳定性、重复性及S-V线性均明显提高。
3.4 双色或双组份发光涂料[22]
也称自参照发光涂料, 包括光强自参照发光涂料和温度补偿自参照发光涂料, 光强自参照发光涂料可以校正风洞实验中由于模型移动、变形等造成模型表面激发光强的改变所造成的误差。温度补偿自参照发光涂料用于校正风洞实验时由于模型表面温度改变, 致使发光强度变化所带来的误差。这两种涂料都含有两种发光探针, 它们的吸收都处于相同的光谱波段, 而它们的发射峰则处于不同的光谱波段且相互没有交盖。光强自参照发光涂料可以采用强度型发光涂料, 而温度补偿自参照发光涂料则采用寿命型发光涂料。
4 结束语
光学方法 篇8
差分吸收光谱技术(DOAS)是目前进行大气污染模式研究和大气污染探测的有效的光学遥感方法。该方法是利用光线在大气中传输时,大气中各种气体分子在对其有不同的特征吸收来区分痕量气体,并利用获取痕量气体的差分吸收光学密度(OD),基于最小二乘拟合来反演痕量气体的大气浓度[1,2,3,4,5,6]。
差分吸收是DOAS的精髓,获取差分吸收光学密度的方法直接决定了DOAS系统的反演精度。传统的DOAS算法是通过选择合适节数的多项式拟合去除慢变成分,然后提取痕量气体的差分吸收光学密度[1]。本文鉴于自适应神经模糊推理系统(ANIFIS)的自学习能力和非线性函数逼近能力,引入AINFIS到DOAS系统中分开DOAS光谱中的慢变部分和快变部分,来提高DOAS系统的反演精度。
2 差分吸收原理
DOAS技术是通过观测痕量气体在大气中的差分吸收的特性来区分痕量气体,利用测量的大气光谱的差分吸收光学密度与标准的吸收截面进行拟合,解析出待测目标信号在该光程内平均浓度。DOAS系统主要包括:光源、发射和接收一体的望远镜系统、角反射镜、石英光纤、光谱仪、探测器和采集电路、进行数据存储和实时、在线处理的计算机系统[2,3,4,5,6]。
光源发出光I0(λ)和反射回的光I(λ)之间的关系遵从Lambert-Beer定律:
式中:σj,o(λ)是随波长慢变部分,σj′(λ)是随波长快变部分,εR(λ)和εM(λ)分别是Raleigh散射系数和Mie散射系数,A(λ)是衰减因子。要得到痕量气体的差分吸收,首先要去除慢变部分,把慢变部分计为I0′(λ):
则式(1)变为
需要通过算法估计lnI0′(λ),经典的DOAS方法是采用多项式拟合估计lnI0′(λ),余下部分称为差分吸收光学密度:
利用获得的差分吸收光学密度(OD)与标准的吸收截面进行拟合,解析出待测痕量气体的浓度。
DOAS系统能实时对测量谱进行处理,并给出测量结果。然而,大气复杂多变,影响因素很多,采用传统的多项拟合逼近慢变曲线时,无法实时根据测量谱的变化来调整拟合节数,以致影响反演精度。这里提出基于自适应神经模糊推理系统(ANFIS)来逼近DOAS测量谱中慢变成分,依次获得痕量气体的OD,并以样气SO2测试逼近效果。
3 自适应神经模糊推理系统
自适应神经模糊推理系统(ANFIS)是模糊推理系统与神经网络相结合的产物,该网络具有神经网络的非线性逼近能力,同时具有模糊推理的可理解性,比多项式函数更为灵活,通过训练可以逼近任意函数[7,8,9,10]。ANFIS结合模糊逻辑与神经网络二者之优势,改善了传统模糊控制设计中必须人为地不断调整隶属度函数以减小误差的不足,采用混合学习算法调整网络前提参数和结论参数,自动产生模糊规则。图1为有两输入单输出的五层一阶Sugeno模糊神经系统。
第1层称为模糊化层,此层每个节点均为1个有节点函数的自适应节点,此层的输入为实际负荷的样本数据集,此层输出为各输入变量的隶属度,x、y为输入变量,Ai(或Bi)为与该节点相关的模糊变量;O1i,O2i分别为模糊集A和B的隶属函数,在本文中隶属函数选高斯函数,其中:
式中:d1i,d2i,σ1i,σ2i为条件参数。
第2层称为与运算层,即实现第1层各输出隶属度函数间的与运算。图中用∏表示,其形式:
第3层为激励强度归一化,图中用N表示,其为
第4层为结论层,此层每个节点均为自适应点,计算出每条规则的贡献,每个节点的传递函数为线性函数,表示局部的线性模型,每个自适应节点i输出为
式中:pi,qi,ri为结论参数。
第5层称为去模糊化层,计算所有规则的输出之和,即为各规则的输出值与其激励强度乘积之和,其输出形式:
ANFIS是一个多层前馈网络,网络参数的学习算法采用混合最小二乘估计的反向传播算法;ANFIS网络各层之间的连接权值可以通过给定的样本数据来进行自适应的调节,因此所得到的结构能够很好的反应实际系统的模型,因此比较适宜在DOAS系统中应用。
4 应用
以DOAS系统测量的样气SO2吸收为例进行模拟实验,测试多项式拟合和自适应神经模糊推理系统估计慢变成分m1(λ)=lnI0′(λ)的效果,然后把获得的差分截面与标准截面拟合得到SO2浓度。改变样气SO2浓度,从0~100 ppb,图2是大气吸收谱(图中a线)和利用ANFIS去除慢变成分拟合谱图(图中b线);图3是利用ANFIS获得的SO2的差分吸收光学密度(a线)和标准吸收截面(b线)拟合示意图;表1是两种拟合方法的测量结果和相对拟合误差。由图2、图3和表1可见,ANFIS能更好的拟合慢变成分,且在浓度低时效果更佳,这对于痕量气体的测量来说很重要。
5 结论
经典的差分吸收光谱技术基于多项式拟合去除慢变的部分m1(λ)=lnI0′(λ),然后利用得到的差分吸收光学密度与标准的吸收截面进行拟合,确定待测气体的浓度。本文提出利用自适应神经模糊推理系统(AINFIS)的非线性逼近理论来去除慢变部分,网络参数的学习采用混合学习算法调整网络前提参数和结论参数,自动产生模糊规则。实验结果表明,ANIFIS比多项式函数更为灵活,引入AINFIS到DOAS系统中获取痕量气体的差分吸收光学密度,提高了DOAS反演精度。
参考文献
[1]Stutz J,Platt U.Numerical analysis and estimation of the statistical error of differential optical absorption spectroscopy measurements with least-squares methods[J].Applied Optics,1996,35(30):6041-6053.
[2]Li Suwen,Liu Wenqing,Xie Pinhua,et al.Application of Kalman Filtering and Wavelet Transform in DOAS[C]//International Conference on Information Acquisition.Weihai,China:IEEE Press,2006:748-753.
[3]李素文,刘文清,谢品华.基于卡尔曼滤波的差分吸收光谱技术[J].华南理工大学学报,2006,34(10):113-116.LI Su-wen,LIU Wen-qing,XIE Pin-hua.Differential Optical Absorption Spectroscopy Based on Kalman Filtering[J].Journal of South China University of Technology(Natural Science Edition),2006,34(10):113-116
[4]李素文,谢品华,刘文清,等.发光二极管在差分吸收光谱系统中的应用研究[J].物理学报,2008,57(3):646-650.LI Su-wen,XIE Pin-hua,LIU Wen-qing,et al.A study of applicability of light emitting diodes in differential optical absorption spectroscopy measurements[J].Acta Phys.Sinica,2008,57(3):646-650.
[5]郝楠,周斌,陈立民.利用差分吸收光谱法测量亚硝酸和反演气溶胶参数[J].物理学报,2006,55(3):1529-1534.HAO Nan,ZHOU Bin,CHEN Li-min.Measurement of nitrous acid znd retrieval of aerosol parameters woth differential optical absorption spectroscopy[J].Acta Phys.Sinica,2006,55(3):1529-1534.
[6]周斌,刘文清,齐峰,等.差分吸收光谱法测量大气污染的浓度反演方法研究[J].物理学报,2001,50(9):1818-1823.ZHOU Bin,LIU Wen-qing,QI Feng,et al.Study of concentration retrieving method in differential absorption spectroscopy for measuring air pollutants[J].Acta Phys.Sinica,2001,50(9):1818-1823.
[7]Wang L X.Fuzzy systems are universal approximators[C]//IEEE Int.Conf.on Fuzzy Systems.San Diego:IEEE Press,1992:1163-1170.
[8]Takagi T,Sugeno M.Fuzzy identification of system and itsapplication to modeling and control[J].IEEE Trans on System Man Cybernet,1985,15(1):16-32.
[9]Benjathapanun N,Boyle W J O,Grattan K T V.Binary encoded2nd-differential spectrometry using UV-Vis spectral data and neural networks in the estimation of species type and concentration[J].IEE Proc.-Sci.Meas.Technol,1997,144(2):73-81.
接触面原位光学观测方法的初步研究 篇9
现代工程的应用环境日趋复杂与严酷,这对电器开关的电接触性能提出了严峻的挑战。当前,工程现场应用中电接触通常表现为接触电阻稳定增大、无规律增大、周期性变化、间歇性变化等失效现象,阻值过大将使得电接触位置焦耳热或信号插入损耗相应增大。这些不仅与触点材料的基本物理性质相关,同时与其表面粗糙度和接触面状态关系密切。因而,学者一直非常关心接触面的确定方法。
Holm在电接触理论专著中总结了4种确定接触面积的方法:1测量可以观察到的残留压痕;2对变形区域进行原位光学显示检测;3在接触样本上使用放射性示踪剂,观察在接触时放射性物质转移到另一接触样本的位置;4通过接触电阻计算相应的接触面积,这种测量方法假定没有膜电阻的影响,而且接触区域具有简单的接触形状,例如收缩电阻公式中的圆形斑点[1]。
方法1在机械载荷较小时,不足以留下明显压痕,从而无法精确得到接触面积;方法3测量接触面积的精度不高,且表面润滑与否对测试结果有很大影响;方法4测试结果依赖于接触点的数目和形状。近年来人们已可借助X射线断层扫描技术和超声波扫描技术测量接触面积,但是X射线断层扫描技术设备昂贵且适用范围存在局限性,而超声波技术由于扫描时间的限制还无法实时观测接触面的动态变化[2]。
本研究基于Holm提出的方法2对接触面进行原位光学观测。设计该系统的目的在于确定触点材料粗糙表面接触面积与接触压力间的关系,为材料弹性变形和塑性变形条件下接触面的差异提供分析技术,同时可为进一步确定触点材料导电面积与接触压力间的关系进行有益尝试。
2接触面原位光学观测装置设计
2.1总体设计方案
如图1所示,本系统主要由机械机构和图像采集处理单元组成。
观测系统由线性加载力机构实现对待测试样与透明蓝宝石平板形成接触对施压,使用安捷伦34401A型六位半万用表测量接触压力。显微镜头和工业相机竖直放置,蓝宝石平板水平放置。显微镜头聚焦在蓝宝石平板的下端面,并根据不同的接触压力选择合适的放大倍数以保证整个接触区域在视野范围内,通过上位机软件手动保存接触区域图像。通过Matlab图像处理程序提取接触区域边缘,对提取后的接触区域图像进行二值化处理,计算得到视在接触面积和实际接触面积。
其中,机械结构可实现不同试样的装卡和接触压力的线性加载,本研究所选的力传感器测量范围为1~100 N,测量精度为0.1 N。同时可对CMOS相机与镜头进行三维位置精确调整,使其聚焦在接触界面上。
2.2图像采集处理单元
图像采集处理单元包括:CMOS相机、显微镜头、同轴光源及上位机程序。相机的像素数为2592 × 1944,每个像素代表实际大小为2.2 μm × 2.2 μm,显微镜头的放大倍数调节范围为8~50×, 因此每个像素点代表的最小面积为44 nm×44 nm。 采用同轴光源控制图像的亮度、对比度及明锐度。
上位机程序的功能有观察接触区域实时图像, 并对图像进行存储,分析接触区域的接触面积等。 本研究的试样选为不锈钢球,由于光的干涉原理, 在接触区域附近会形成很多牛顿环,上位机分析接触面积时需要将接触区域的图像提取出来,因此本研究设计一种针对Hertz接触的接触区域视在接触面积和实际接触面积的图像处理专用程序,程序流程如图2所示,主要步骤如下:
(1)坐标系转换。把图像的矩阵转化为R-θ坐标系,以图像中心为R-θ坐标系的原点,并根据θ将整个图像平均分成n等份。
(2)对径向上点的光强进行滤波和小波处理, 消除无关像素的影响。
(3)计算接触区域最大可能范围,即以第一个牛顿圆为边界的圆。以图像中心为圆心,以半径为自变量计算图像中所有同心圆的平均灰度值,取平均灰度值最大的圆的半径为R。
(4)边缘提取。对径向上的每一个点计算对应的变量M,M的值由公式(1)给出:
式中,I′为灰度值变化率;ΔI为灰度值与平均灰度值之差;L为该点到圆心的距离。
当径向上的某一点的变量M值第一次大于阈值时,这个点被判定为边界上的点,由于根据θ将图像分成了n等份,所以有n个边界点。当边界上的点数n足够多时,将它们连接即完成了接触区域的边缘提取。计算边缘以内的面积即为视在接触面积,对视在接触区域进行二值化处理即得实际接触面积。
3结果与讨论
图3为压力73 N时5 mm直径不锈钢球与蓝宝石平板接触区域的原始图像与处理过的图像。试验中分别对直径为5 mm和2 mm的不锈钢球进行了0~100 N的力加载试验,加载步长为5 N,经图像采集处理得到视在接触面积和实际接触面积随接触力的变化曲线,如图4所示。
试验中所选用分析的图像均是在加压20 s后截取,所用试样均于试验前用酒精清洗、烘干。
图4(a)所示为2 mm钢球与蓝宝石平板的试验结果,其视在接触面积和实际接触面积均随接触力的增大而增大,且线性度很高。这代表着钢球发生塑性变形。在理想情况下球体与平面表面绝对光滑,视在接触面积与实际接触面积相同,接触面积与接触压力的关系如式(2)所示。
式中,AP为接触面积;F为接触压力;H为材料硬度。
5 mm直径钢球的试验结果如图4(b) 所示, 5 mm钢球与蓝宝石平板的接触面积同样随接触力增大而增大,但无法较好地进行线性拟合,这表明5 mm钢球变形属于弹性变形。同时,5 mm钢球试验数据小于理论值,这是由于试样的粗糙度和几何形状与Hertz理论模型有一定的差异。弹性接触的接触面积理论值是由Hertz在19世纪80年代第一次给出[3,4],理论值由式(3)得到:
式中,R1为球体半径;E*为由接触材料的杨氏模量和泊松比组成的常数,对于不锈钢球和蓝宝石形成的接触对E*=215.6 N/mm2。
4结论
光学方法 篇10
CCD光学系统的成像原理是透过人体的有用X射线信号经过闪烁体屏被转换为可见光,通过45°反射镜后垂直入射到光学镜头表面,然后聚焦到CCD感光面,最后通过图像采集系统读出数据并传输到工作站成像。
因此,整个光路的环节都会影响到最终图像的几何失真。其中有几个是无法避免的,只能通过后期图像校正才能消除。
导致图像发生几何失真的原因除了光学镜头在加工时的机械误差以及安装时的装配误差,另外还有由于镜头的本身属于凸透镜,这种中间厚边缘薄的结构造成光路在传导过程中发生的几何失真。这些几何失真可以通过图像处理来对畸变进行校正,以消除其对临床诊断的影响。
1 CCD光学系统统构成
CCD光学系统一般是由三部分组成,如图1所示。
荧光屏:将X射线转化为可见光,本系统采用碘化铯(CsI)荧光屏。
光路传导系统:由反光镜、透镜组、光学箱等光学部件组成,目的是为了将可见光传输和聚焦到CCD光敏面上。
图像数据采集系统:将光信号转换成电信号,并传输给信号采集、处理系统,以形成最终图像。
2 CCD光学系统图像几何失真模型
图像几何失真是指物体所成的像在形状上的变形,通常分为桶形失真和枕形失真两种,如图2所示。
CCD光学系统图像的几何失真是由于光学镜头所致,从图像上来说属于桶形失真。由于镜头的孔径变小,因此入射的平行光汇聚到感光面上,由于镜头不是理想的针孔镜头,因此到达像面上的点发生了坐标位移,从而使采集到的图像发生几何失真[1]。其数学模型通常可以用以下公式表示。
其中(x,y)代表图像失真校正前的坐标,(x',y')代表图像失真校正后的坐标,,△r=k1r3+k2r5+...。将△r带入公式(1)得到公式(2)。
几何校正效果和计算量,通常畸变系数只考虑到k1。即公式(2)可改写为,
3试验结果及结论
通过上面的得到的几何失校正数学关系,我们可以设计实验来得到系统的畸变系数k1。其实用很简单的测试仪器就能把系数测到。
通常用一个形状规则的方格板,其上面每行和每列的间隔为等距离,这里为5 mm,如图3所示。
图像选中的标记点用来计算k1。结合公式(3)我们可以得到公式(4)。
通过上面方程组,可以得到10个系数k,且光轴中心O没有畸变。因此我们这里的计算坐标都是基于光轴的参考坐标。
我们再将10个系数k进行线性化拟合,求出最优的系数k作为本系统的校正系数。
然后再进行像素灰度插值,将畸变校正后得到的坐标(x,y)周围的4个坐标点按线性比例进行插值运算。示意图如图4所示。
如图4所示,分两步完成插值,先插值x轴方向,得到R1和R2,再插值y轴方向得到我们需要的P点的像素值。
插值运算后可得到关系式(5)。
通常取相邻4个坐标点,因此x2-x1=y2-y1=1。通过公式(5)可以给任意畸变校正后坐标进行像素插值。
下面是畸变校正前后效果对比如图5、图6所示。
从图5中明显可以看出图像在未做几何失真校正之前,图像边沿有明显弯曲变形,经过几何失真校正后弯曲变形明显消除,如图6所示。
从校正的结果来看,通过一阶形式的径向几何失真校正后,图像变形有了明显的改善,尤其是图像边缘处,变形基本消除。由此可见,经面阵CCD镜头几何失真校正后,图像的几何失真基本没有了。
综上所述,本文提出一个常见的几何失真校正的方法。该方法利用直线的透视的不变性来求解镜头的几何失真参数,不需要光学系统内部的任何参数,也不要制定的坐标系统。只需要一套简单的实验设备用于求出光学系统的几何失真系数。该算法能够实现图像几何失真的快速准确校正,从而大大提高了临床图像诊断效果。
摘要：该文通过研究CCD光学系统的构成及成像原理,建立数学模型,并提出一种图像几何失真校正方法。通过实验证明,此项技术能很好地改善系统图像的几何失真。
关键词：电荷耦合器件(CCD),几何失真,畸变校正,双线性插值
参考文献
