本文關(guān)鍵詞：基于光場相機的光學元件損傷在線檢測技術(shù)研究

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【摘要】：在高功率激光系統(tǒng)中,光學元件缺陷的散射、衍射等效應(yīng),會造成光能量衰減,影響光學系統(tǒng)的性能;當光功率足夠大時,在激光輻射下元件缺陷會發(fā)生內(nèi)爆對元件造成不可逆轉(zhuǎn)的傷害,導致元件報廢,甚至會危及整個光學系統(tǒng)。為及時檢測和更換存在損傷的光學元件,避免元件內(nèi)爆對系統(tǒng)造成危害,有必要對系統(tǒng)中的光學元件進行在線監(jiān)測。然而,在現(xiàn)有的在線損傷檢測技術(shù)中,多個光學元件的像面會發(fā)生重疊,而且在定位損傷元件時,需要采用調(diào)焦的方式依次對焦于不同位置處的元件。此外,當光學元件之間間距較近時,上述方式難以準確甄別損傷元件的具體位置。對于光路復雜、光學元件繁多的大型激光系統(tǒng),這將嚴重影響在線損傷檢測的效率,為解決該問題,本文將單鏡頭三維成像相機(光場相機)引入到光學元件損傷在線檢測與定位技術(shù)中。首先,對于待檢光學系統(tǒng),需要設(shè)計光場相機的結(jié)構(gòu)參數(shù),使其景深、深度分辨率、空間分辨率等滿足相應(yīng)光學系統(tǒng)中光學元件損傷在線探測與定位的需求。因此,本文借鑒前人的研究經(jīng)驗,從幾何光學成像模型出發(fā),系統(tǒng)總結(jié)與推導了光場相機性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系,作為設(shè)計光場相機的參考指南。另外,為明確微透鏡陣列口徑較小時光場相機的成像模型,同時為進一步揭示光場相機成像本質(zhì),本文從物理光學的角度出發(fā)分析并數(shù)值仿真了光場相機成像過程。其次,考慮到光學系統(tǒng)中光路狹長(光路長度一般大約為數(shù)米到數(shù)十米,通光口徑一般大約為幾毫米到幾百毫米),在采用基于光場相機的在線損傷檢測方法時,需要光場相機的景深足夠長。目前,在光場相機的設(shè)計與研究中,為拓展光場相機景深,多焦距微透鏡陣列被引入到光場相機。此外,伴隨著光場相機的不斷發(fā)展,非規(guī)則排布微透鏡陣列也有可能被引入光場相機,用于優(yōu)化光場相機性能。多焦距或非規(guī)則微透鏡陣列對光場相機的標定方法形成了挑戰(zhàn),針對該問題本文提出了基于數(shù)學形態(tài)學的光場相機自動標定方法。該標定方法無需微透鏡陣列參數(shù)等先驗知識便可實現(xiàn)光場相機的自動化標定,提高了光場相機標定方法的魯棒性。最后,為驗證基于光場相機的在線損傷檢測方法,本文進行了原理驗證實驗。在實驗中,首先搭建了光學系統(tǒng)的模擬光路;然后,根據(jù)具體光路設(shè)計了光場相機參數(shù),搭建了光場相機實驗樣機;隨后,采集損傷原始圖像,實現(xiàn)光場相機復眼圖像處理算法,包括損傷特征點提取與匹配、深度測量算法、損傷深度偽彩處理算法等。最終,驗證了本論文所提出方法可行性。本文提出了一種基于光場相機的光學元件損傷在線檢測與定位方法,是一種新的在線損傷檢測技術(shù)。在幾何光學模型下系統(tǒng)總結(jié)與推導了光場相機性能參數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的量化關(guān)系,用于指導光場相機的參數(shù)設(shè)計;提出了一種基于數(shù)學形態(tài)學的光場相機自動化標定方法,提高了光場相機標定的魯棒性與智能化水平。搭建了光場相機實驗樣機,實現(xiàn)了光場相機復眼圖像處理算法,完成了基于光場相機的光學元件損傷在線檢測與定位的原理驗證實驗,同時也對拓展光場相機的應(yīng)用領(lǐng)域產(chǎn)生積極的作用。
【學位授予單位】：中國科學院光電技術(shù)研究所
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TP391.41

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