透镜设计范文1
关键词：数字模型；设计；Authoware
中图分类号：TP311文献标识码：A文章编号：1009-3044(2008)08-10ppp-0c
1 设计思路
虚拟仪器（Virtual Instrument，VI）的研究始于美国的斯坦福大学和马里兰大学。虚拟仪器的出现,克服了以硬件为主的传统仪器的功能只能由厂家定义而用户难以改变的缺陷.虚拟仪器是基于计算机的仪器，仪器工作时通过操纵位于计算机屏幕虚拟面板上的“按钮”来完成检测或者控制任务[1]。根据凸透镜成像原理，通过Authoware，可以将物体与凸透镜的距离（物距）和凸透镜的焦距做为的变量，用程序设计构建一模拟成像规律的数字化虚拟模型。模型设计的特点是在程序运行时，根据参数的设定，计算机自动生成成像系统，并计算和标识出系统的项各参数，可控性地动态演示凸透镜成像规律。具体设计应满足：程序自动绘制成像系统平台；在调节物距和改变焦距的时候，系统平台自动动态描绘主光轴、透镜两边的焦点及两倍焦距点，同时绘制出三条特殊光线的成像光路并绘制出所成的像；演义出光路的可逆性；演义出成像的规律；通过界面的交互控件实现与程序的交互。
2 程序的模块结构设计方案
通过“背景”模块绘制透镜和设定控制界面的文字显示界面。通过“初始设定”模块设定系统需要的变量及初始值；通过“物体”模块绘制出移动物体的控制模块；通过“移动物体”模块将物体的控制模块移动到初始位置；用“画初始光线和像”模块绘制出初始成像光路图；通过“拖动”交互模块实现在参数改变时的适时交互控制。“拖动”模块是程序的核心模块，它内含三个群组，通过Dragging[2]@"物体"群组模块实现自动绘图功能；通过“焦距增加”群组模块实现焦距的增大控制，通过“焦距减小”群组模块实现焦距的减小控制。程序模块结构设计如图1。
图1 程序模块结构
3 程序设计的关键技术
3.1 “初始设置”模块的程序设计
h:=100
a:=30
SetFrame(TRUE,RGB(0,0,0))
SetLine(2)
Line(2,a,231,a,231-h)
SetFrame(TRUE,RGB(255,255,255))
Line(1,0,231,700,231)
3.2 初始化模块的程序设计
Movable@"背景":=0
x0:=319
y0:=231
f:=54
SetMode(1)
y1:=y0-h
id:=ChildNumToID(@"拖动", 1)
GoTo(id)
3.3 核心模块的程序设计
“拖动”核心模块采用按键交互响应控制[3]模式。“增加焦距”模块和“减小焦距”模块的程序设计基本上和Dragging@"物体"模块的程序相同，只是在其中增加了对焦距f的控制。Dragging@"物体"模块的程序设计如下：
x1:=DisplayX@"物体"
SetFrame(TRUE,RGB(255,0,0))
SetLine(2)
Line(3,x1,229,x1,231-h)
u:=x1-x0
zy:=Test(u>0,1,-1)
u:=ABS(u)
v:=f*u/(u-f)
xs:=Test(v>0,"实","虚")
xx:=x0-zy*v
xh:=h*v/u
xy:=y0+xh
SetFrame(TRUE,RGB(255,255,255))
Line(5,x0-f,y0,x0-f,y0)
Line(5,x0-2*f,y0,x0-2*f,y0)
Line(5,x0+f,y0,x0+f,y0)
Line(5,x0+2*f,y0,x0+2*f,y0)
SetFrame(TRUE,Test(xs="实",RGB(0,255,0),RGB(0,0,255)))
SetLine(2)
Line(2,xx,y0+2,xx,xy)
Line(1,x1,y1,(x1+x0)/2,y1)
Line(1,x0,y1,(x0+xx)/2,(y1+xy)/2)
Line(1,x1,y1,(x1+xx)/2,(y1+xy)/2)
Line(1,x1,y1,(x1+x0)/2,(y1+xy)/2)
Line(1,x0,xy,(x0+xx)/2,xy)
SetLine(0)
Line(1,x1,y1,x0,y1)
Line(1,x0,y1,xx,xy)
Line(1,x1,y1,xx,xy)
Line(1,x1,y1,x0,xy)
Line(1,x0,xy,xx,xy)
4 结束语
凸透镜数字模型主要利用了Authorware的内部变量IconTitle、IconID和Quit()、Goto（）、SetFrame()、SetLine()、SetMode()、Line()、ChildNumToID()等内部函数及条件判断，并利用了其强大的交互功能实现了程序的控制。程序很好地实现了物体移动和光路绘图的同步以及焦距调节和光路绘图的同步，也实现了参数发生变化时的同步显示和焦点的动态精确描绘。
参考文献：
[1]荆学东,徐滨士.虚拟仪器技术及其应用[J].陕西科技大学学报,2007,(02).
透镜设计范文2
放大镜，学生一般是熟悉的，但作为规范的物理名称―凸透镜，学生并非都知道。本节课的目的是为了加深学生对凸透镜的认识，不仅让学生通过实验探究凸透镜对光线的会聚作用，同时还启示学生粗略测量凸透镜焦距的方法。对凹透镜只要求学生能够知道什么是凹透镜，以及凹透镜对光线有发散作用。
二、教学目标
1.知识与能力目标
通过观看微课视频，学生能认识凸透镜的会聚作用、凸透镜的焦点和焦距；通过实验培养学生的实验操作能力，对实验现象、数据的初步分析能力。
2.过程与方法目标
通过师生互动问答、生生合作探究等课堂活动，启发学生从物理现象中归纳科学规律的方法。
3.情感、态度、价值观目标
通过小组合作探究，培养学生与他人协作的意识以及愿意探究、勇于创新的科学精神。
三、教学重难点
学生通过实验分析总结得出凸透镜成像的规律既是本节重点也是难点。
四、教学方法
教法：演示实验法、探究、归纳、分析法。学法：自主学习法、观察法、实验探究法。
五、教具准备
教学多媒体、光具座、蜡烛、光屏、移动摄像头、笔记本等。
六、教学思路
将学生按照学习水平进行均衡分组，让特优生在小组内起带动作用。
课堂环节一，通过师生间互动问答的形式，检验学生对双基知识的掌握。
课堂环节二，在学生初步尝试找到像的基础上，让学生动手探究凸透镜成放大、缩小的实像，以及放大的虚像。每组将数据及时提供，由专人负责输入屏幕上的excel表格内。并就学生存在的疑问进行师生、生生间交流解答。
课堂环节三，利用excel表格对数据进行降序或升序排列，得出成像规律。通过小组间实验展示的竞赛环节，通过各组间的评价点拨，拓展学生对问题情境的感受，激发学生的积极性，提高学习效率。
七、课堂学习形式预告
课前自主学习：学生观看微课视频完成进阶练习―教师批阅课前学案。
对知识的课堂内化、训练展示：提出学生自学中的疑惑（疑难问题梳理）―分组讨论设计凸透镜成像规律的实验方案―学生展示分组探究成果，得出结论―评价点拨，完成课堂学案。
八、自学质疑观察记录
课堂组织：物理课代表已经把实验器材准备就绪，并把学生分成二人一组。
学生表现：认真反复观看视频，边看书，边填写课前学案。利用凸透镜努力寻找蜡烛的像。
阅读教材：学生认真勾画课本中的重点内容，培养良好的学习习惯。
观看微课：观看微课时暂停、做笔记次数过多。
完成学案：建议合上课本，观看视频后再思考完成。
合作互学：先“一对一”合作，遇到疑难问题再小组合作。
九、教学过程
1.疑难突破设计
（1）疑难问题梳理：不明白什么是像距；不会判断实像和虚像。
（2）疑难突破设计。问题1解决方案：让一名动手能力强的学生通过实验，边讲解边示范。重点强调要拿光屏的刻度减去凸透镜的刻度，计算要仔细（利用移动摄像头展示）。问题2解决方案：学生通过实验介绍，能呈现在光屏上的像称为实像，不能在光屏上呈现、只能用眼睛看到的像称为虚像（摄像展示）。
2.训练展示设计（难易程度：A.识记B.理解C.应用）
（1）展示内容：让蜡烛火焰经凸透镜成放大的实像。由第1组丁鹏同学展示。难易程度：B。存在的问题及改进措施：学生很容易找到放大的像，但不会正确比较物距和像距与一倍焦距、两倍焦距的关系。
（2）展示内容：让蜡烛火焰经凸透镜成缩小的实像。由第5组张玲同学展示。难易程度：B。存在的问题及改进措施：实验现象很明显，展示效果好。
（3）展示内容：让蜡烛火焰经凸透镜成放大的虚像。由第6组徐言同学展示。难易程度：C。存在的问题及改进措施：学生无法正确观察虚像。
3.评价点拨设计（难易程度：A.识记B.理解C.应用）
（1）点评内容：让蜡烛火焰经凸透镜成放大的实像。第2组杨文点评。难易程度：C。变式训练和问题预设：课堂反馈学案的第5题。存在的问题及改进措施：主要点评实验操作的关键；语言要简洁，建议用物理符号代替。
（2）点评内容：让蜡烛火焰经凸透镜成缩小的实像。第4组刘丽点评。难易程度：B。变式训练和问题预设：课堂反馈学案的第6题。存在的问题及改进措施：点评题目时要思路清晰，方法简洁；适当做些板书更有助于其他学生理解。
（3）点评内容：让蜡烛火焰经凸透镜成放大的虚像。第4组邢胜点评。难易程度：A。变式训练和问题预设：课堂反馈学案的第1题。存在的问题及改进措施：点评时要时刻把握节奏，注意学生间互动；点评完毕要对展示的学生进行评价，并询问其他学生是否还有疑问。
4.布置作业
课后练习1～5题。
5.总结反思设计
问题引领：凸透镜成像的规律是什么？如何利用凸透镜的三条特殊光线，作凸透镜成实像和虚像的光路图？
透镜设计范文3
关键词：均匀照明；二次光学设计；自由曲面
中图分类号：S611 文献标识码：A 文章编号：
LED（LightingEmittingDiode）即是发光二极管，是一种新型的绿色光源，与传统光源有着很大的区别。随着城市建设的不断发展， LED光源在照明领域的应用范围也在不断扩大。LED光源还具有具有效率高、寿命长、耐用性强、无污染以及控制灵活等优点，这使得其在现代社会中的需求量不断扩大。由于LED芯片的出光为朗伯发光体分布，不适合直接应用，需要对其进行光学系统处理后才能应用。但很多时候，LED光源都无法满足照明灯具的要求，因此，对LED光源进行二次光学设计十分必要。传统的设计方法设计周期很长，对设计人员的要求也比较高。
常用的设计方法介绍
微分方程法
微分方程法的设计基础理论是剪切法。就是通过建立微分方程计算设计值，利用计算值建立自由曲面模型。主要考虑的是建立空间坐标系，把LED光源当做空间坐标系的原点，选用球坐标系的表示方法来表示曲面上的点，用直角坐标系的表示方法来表示照明面上的点。同时设定入射光线、法向量等。从而可以推导出照射平面上的点和自由曲面上的点之间的关系式。由于光的传播遵守能量守恒定理，假设当没有能量损失时，光源发出的能量和照明面接收的能量在数值上是相等的，这样就可以建立能量守恒的表达式，从而得出折射光的角度与与自由曲面上的点的关系式，进而得出自由曲面上的点和照明面上的点的关系式，通过数学微分知识可以得出微分方程式，在利用数值求解法求出相关数据，根据求出的数据建立照明系统模型。
划分网络格法
划分网格法的主要设计基础是能量守恒原理。就是在不考虑能量损失的前提下，按照光源发出的能量和自由曲面接收的能量相等的规则，将光源和照明面进行网格划分，通过照明面上的点和光源的映射关系，再利用迭代计算法就算出光学系统中的各个数据点的坐标，进而计算出映射点的法线矢量，以确定透镜表面的模型。设计时要根据实际需求选择LED光源，尽量提高光能的利用率。该法比较直观，主要利用了能量守恒的原理，利用光源与照射面上的点的映射关系来进行设计。数据很精确，且设计效率很高，也不需要校验，可以有效地解决照明度的分布问题，是一种比较有效的设计方法。
二、基于均匀照明的LED透镜设计原理
（一）折射定律推导
根据边缘光线的原理，目标平面上的任意一点的能量都是由边缘光线所决定的。以光源所在的位置建立如图1横纵所示的横纵坐标系。
图1 自由曲面与入/出射光线之间的几何关系
用表示入射光线，和透镜面的焦点为A，坐标为（X，Z），出射光与平面相交于一点B（Xα，H），透镜曲面的法向量设为。根据这设定理有:
n1sinα1=n2sinα2 ⑴
其中，n1 ,n2为入射光何折射广的折射率，α1,α2 为入射角和折射角的角度。光经过透射镜射入空气，而空气的折射率是1，即n2=1，投射材料的折射率n1 也为n，即n1=n，将各个数据代入到公式（1）中，可以得到一个新的推导公式：
n sinα1= sinα2⑵
利用三角函数的公式经多次转换并两边求导可得：
⑶
由于方程实际上是一个f（X,Z,Xd）的函数，为了求得该方程，还需要建立一个附加的方程，即Xd=g（X，Z）。
（二）Xd=g（X，Z）方程的建立
透镜设计是建立在一个特定距离上的照明办法，一般可以认为目标面上的E是一个定值，因此，可以得到：
φ1=E·S⑷
式中的φ1指的是照射在目标面上的总的光强度，S指的是照明的总面积。要实现光能的最大利用目的，就必须使光源出射光的强度同目标面上的强度相同，也就是说出射光源φ0和总光强度φ1在数值上是相等的。用图2表示整个照明模型。
图2 照明模型
图中标注的R0是指目标面的半径。为了达到均匀照明的目的，在均匀的目标面上，E值是恒定的。照明目标面上的特定区域内的光强和整个照明目标面上的光强φ1之比与该特定区域的面积和整个照明目标面积之比相等，也就是：
⑸
如果从光源的角度考虑，在φ的光锥内出射的光强φ3，相对的总光强φ0的比例为：
⑹
经过推导换算可得：
⑺
则有： ⑻
(三)小结
将Xd的表达式（7）和（8）代入式（3）中化简以后，可以得到一个微分方程式dzldx=f（x.z）。由于该微分方程的比较复杂，如果要直接求解方程式比较困难，因而可采用数值求解方程式。可以设定自由曲面与z轴的交点坐标为一个定植，如（0，Z0），然后再使用数值法进行求解。可采用Runge-Kutta法等进行求解。
三、设计实例
对设计实例，采用了上述方法设计实现了均匀照明的设计。首先，选择3W的大功率白光LED作为白光芯片，发光效率为120lm/W,以PMMA作为透镜材料，利用Tracepro系统进行仿真模拟。在模拟过程中，选择0.1%的总光线亮进行显示，得到如图3所示的结果。根据图谱可以看到，产生的光斑比较均匀，有效半径在200mm左右，光斑的半角强度大约是26.5。，均匀照明度均优于90%，中心照明度大约是138lux，光学系统的效率大于90%。利用该自由面对LED进行裴匡，可以有效改善照明系统的照明均匀性，从而实现照明系统在特定的区域范围内的均匀照明，在很大程度上提高了照明系统的光能量的利用率，减少了能量损失。
图3 实验结果
图4 手电的均匀照明
除了上述的均匀照明灯的设计，设计一款均匀照明的手电。主要的性能指标是：在8米射程内，形成一个半径在1米以上的均匀光斑。选用3W的大功率白光芯片，发光效率100lm/W,透镜材料为PMMA，系统的折射率为1.49，采用Tracepro系统进行仿真模拟，得到如图4所示的结果。根据测试结果可见，得到的均匀光斑的射程为8米，光斑半径约为1米，整体的平均照明度大约是11lx，光学系统的效率大于90%，均匀照明度均在90%以上，光学系统的效率也大于90%。
四、结论
本文根据光的折射原理，推导出了关于LED光源实现均匀照明的透镜设计的设计方程式，然后通过MATLAB程序编程求解，3D设计软件利用计算出来的数据绘制出透镜曲面，从而建立光学透镜的模型。光学计算软件Tracepro可建立整个光学系统，准确地进行配光设计，并对设计结果进行验证，从而改善照明系统，以实现特定区域范围内的均匀照明。利用这种设计思路对LED光源进行设计，可以有效地减少设计周期，节约成本，提高LED光学系统的利用率。
参考文献：
[1] 李竞.实现LED矩形均匀照明的透镜设计[A].应用光学,2011,32(2):211-214.
[2] 颜杰,叶兵.实现LED均匀照明的透镜设计[A].现代显示,2012,(2):38-42.
[3] 史永胜,买迪,宁磊.实现道路均匀照明的LED自由曲面透镜设计方法综述[J].照明工程学报,2010,21(5):73-76.
透镜设计范文4
论文关键词：光学相关探测,光学设计,傅立叶变换透镜
光学相关探测与目标识别属于光学信息处理范畴。它指的是光学图像的产生、传递、探测和处理。与传统电子信号处理相比，光学信息处理具有并行度高、容量大的特点，而且利用光电联合相关探测可以对要搜索、探测的目标进行实时探测，自动识别和高精度定位。光学相关探测的关键器件是光学傅立叶变换透镜。通过光学傅立叶变换透镜实现从空间域到频域的转换，对图像进行相关运算，从而达到图象识别的目的。傅立叶变换透镜分反射式与透射式，其中透射式又可分为多组元和单组元两大类。单组元透镜加工装配容易，而且可以使仪器小型化。
1实时联合变换相关器的具体装置
如图是光电混合实时联合变换相关器的具体实验装置：
光电混合实时联合变换相关器的示意图
Schematic diagram of hybrid optoelectronic real time joint transform correlator
系统采用氩离子激光器作为光源，通过衰减器调制输出光强，经显微物镜聚焦、针孔进行空间滤波后，再经准直透镜形成均匀的准直扩束平行光。之后半反半透镜把平行光分为两路，第一路用于获得联合变换功率谱，经CCD1实时摄取的目标图像与事先存贮在PC1的参考模板一起被输入到电寻址液晶EALCD1中，联合图像经傅里叶变换透镜FTL1后，由平方律探测器CCD2进行探测，得到目标t(x,y)和参考图像r(x,y)的联合变换功率谱，经PC2显示；第二路用于获得相关峰图像，输入到PC2的功率谱经空间光调制器的控制系统又被输入到电寻址液晶EALCD2中，经傅里叶变换透镜FTL2进行逆变换后，由CCD摄取目标图像与参考图像的联合变换相关点，再输入到最后一个PC中由其显示出来。
2国内外傅立叶透镜的发展状况
实验装置的关键器件是傅立叶变换透镜，透射式的傅立叶变换透镜基本结构形式大致可以分为两类。第一类是双远距型及其变型(图1-1 )。其中远距式结构可以使前焦点到后焦点的距离从2f缩小到0.7 f左右，这样大大缩小整了个系统的尺寸。第一个傅立叶变换透镜即采用这种结构。
但是处理面和频谱面直径是不同的，为了解决这个问题有了两种非对称结构型透镜，如图1-2a所示。当被处理面和频谱面较大，镜头焦距较短，或者为了引入参考光方便需要增加工作距离时，采用图1-2b双反远距型结构。
第二类是单组元的傅立叶变换透镜(图1-3 )。上述那些多片结构的透镜，从满足像质要求上是不必要的，一组密接的两片薄透镜虽然变量较少，但仍能满足全部像质的要求。而且第一大类型的片数过多会引出很多问题，如玻璃表面脏点，杂光引起相干光，玻璃内部缺陷，片数过多装配的误差也会积累等。图1-3 (a)是单片型，两半径相等。为了校正球差，第二面改为非球面，并采用高折射率玻璃以降低其它像差。非球面在形式上是最简单的结构，但要制造出能满足波像差要求的非球面是极为困难的，且价格昂贵。(b)是对称双片型，利用一分为二来降低球差。(c)是双胶合或双分离型。可以采用是正常的折射率玻璃组合(即正透镜n值大，负透镜n值小)来降低匹次瓦和，增大孔径和视场。
3设计小型的双分离的傅立叶变换透镜
傅立叶变换透镜基本上属于小孔径、小视场光学系统。大部分的焦距在300～1000之间，相对孔径约1/7～1/16，被处理面和频谱面直径在30～100mm范围内，最高频率约为60～100线/mm。本文利用初级像差理论求出透镜的初始结构，然后借助于ZEMAX光学设计软件进行光学自动设计，经过多次像差平衡就能获得满足像质要求的最后结果。由PW法计算得出透镜的初始结构及玻璃牌号为：
r
d
n
178.807
3.05
ZF6
131.773
1.20
151.694
3.80
K9
-362.751
对上述透镜的初始结构的计算是假设透镜组为薄透镜，而实际透镜组是有一定的厚度，另外实际像差的计算结果不仅包含有初级像差还包含有高级像差，因此用初级像差求得的上述系统只能作为自动设计的初始结构。下面，利用ZEMAX软件进行像差自动平衡。得到有关的数据:
r
d
n
351.469235 v
10.285685
ZF6
-255.566552v
2.096585 v
-204.590517v
10.285685
K9
-750.514351v
MTF图 波前图 点列图 等结果如下：
MTF图
波前图
点列图
4 结论
由像差和光学设计的基本理论可以知道，我们不可能把光学系统的像差完全消除，也没有这个必要。但确定残余像差的允许值对设计和实际生产都具有重要意义。光学系统像差的公差，是随系统的要求不同而改变。对于傅立叶变换透镜一般用波像差来衡量，实践证明当光学系统波像差小于1/4λ，所能进行的变换才能满足要求。当光学透镜组的视场和相对孔径较小的情况下，可由下面接给出波像差为1/4λ的各种几何像差的公差。
⑴、球差的公差
由于波像差的公差的大小不仅与光束的最大球差有关，而且和球差在整个孔径内的分布规律有关。初级球差与孔径h的平方成比例，球差随h的增加而增加，孔径边缘的球差最大。下面给出球差分布情况下的公差。相对孔径比较小的系统对应的边缘球差的公差为: 傅立叶变换透镜可以满足使用条件。本文的球差为0.001159满足使用要求。
⑵、正弦差的经验公差
经验证明，当SC小于0.0025就可以满足一般使用要求。本文的正弦差为0.000175满足使用要求。
⑶、畸变
傅立叶变换透镜一定存在着不可消除的畸变值，但是我们的实验装置中是成对的使用傅立叶透镜，光学系统的结构是对称的且放大率β=-1，根据像差理论畸变会自动消除，同时彗差也会相互抵消。
⑷、场曲
本文的场曲为0.000265mm满足场曲使用要求。
⑸、爱里斑半径
在几何光学中，理想光学系统使点物成点像。但实际上衍射效应是无法消除的，所以光学系统所成的点物的像是一个衍射像斑。那么，对于透镜的各种像差，除了要满足上述几何像差的要求外，我们还要求透镜成像的衍射斑半径满足透镜衍射极限，即为爱里斑r=0.61λ/n´sinu´式中，sinu´为数值孔径，u´为孔径角。同时，爱里斑的大小也可以用相对孔径来表示，即r0=1.22λf/D可以通过上面两式来验证所设计的傅立叶变换透镜的衍射极限的大小与理想成像时的爱里斑的差异，r=0.006271 r0=0.006289 r=0.000018由上面的计算结果可以看出，r的值是非常小的，这表明所设计的傅立叶变换透镜的实际衍射极限与理想光学系统的衍射极限相差很小。通过以上的讨论与验证计算，证明设计的傅立叶变换透镜能达到很好的像差要求。
⑹、光学系统波像差
本文波像差为0.0997λ满足公差的要求。
⑺． 本文的三个视场RMS的半径在2.575到4.856之间，能与CCD等接收器件很好配合。
参 考 文 献
[1] 郭阳雪 傅立叶透镜的设计及其在光学相关探测中的应用
长春理工大学硕士论文
透镜设计范文5
关键词： 仿生光学； 人工视觉； 复眼； 微透镜阵列； 全景图
2全景成像仿复眼系统全景成像包括两种模式：一种是指大视场的成像，如环形360°成像；另一种是指视野范围内远近目标均清晰成像的多景深成像。无论哪种成像方式，可通过不同的微透镜阵列与CCD阵列组合的方式实现，且具有更大视角。本文主要通过微透镜阵列不同组合形式来介绍全景成像系统。
光学仪器第35卷
第3期邢强，等：仿复眼视觉系统的研究进展
2.1仿复眼视觉系统
2.1.1CCD相机阵列结构采用CCD相机阵列模拟复眼结构在工程应用中易于实现。如将常规光学镜头，按照某半径形成环形或球型结构，获取序列图像，通过对图像特征的提取、拼接，制作出全景图像。国内在80年代就研制出环形旋转式全景相机并投入使用。在全景大视场图像获取上，有以下几种主要方式[4]：通过云台准确控制单/双相机旋转；采用CCD环形阵列获取环形场景图片；将CCD相机排列在球面或立方体表面来获取图像。Sarachick、Ishiguro旋转单摄像机的室内全景图像及Thierry、Ryad等人采用双摄像机旋转获得全景图像；2008年，王永松等人，结合CPLD、AVR微处理器，将六个60°视角的线阵CCD环状排列构成360°视角，通过多通道同步采集实现大视角的多目标快速识别与定位跟踪；2010年，周永庆等人采用线阵CCD相机旋转获取图像，实现全景图像的拼接[5]。由于系统中存在机械转动机构，系统的同步性差，全景图的获取适用于计算机视觉和一些同步性要求不高的场合。但在机器人运动中，要实现全景图像获取的同步性，CCD阵列间需具有较高的同步性。采用多孔径单CCD的透镜或者采用高性能的处理器实现多通道多CCD的实时性采集，从而实现仿复眼多孔径相机设计。
2.1.2微透镜阵列的结构昆虫复眼具有大视角的全景成像及并行采集功能。仿复眼结构主要是通过制造平面微透镜阵列或者曲面微透镜阵列，通过CCD实现图像信号的同步采集，具有硬件实现的多通道信号并行采集功能。其中平面微透镜阵列是指微透镜阵列排列在同一平面上，具有同视轴方向；曲面微透镜阵列，是指将微透镜规则排列在曲面，具有各自的视轴方向，如图2所示。
2.2微透镜阵列的全景成像设计
2.2.1平面微透镜结构在传感器前添加平面微透镜阵列[610]来模拟并列型复眼，该结构具有高清晰、成像畸变小以及对目标位置估计的能力。平面微透镜阵列仿制复眼视觉系统主要有以下三种方式。第一种形式是1992年Adelson等人，通过散光片、主透镜、物镜以及微透镜阵列组合形成全景相机[6]，如图3（a）所示。在每个微透镜下采用r、s、t三个成像区接收来自不同方向的光线：当目标在焦平面时，目标在对应的单微透镜下的s区域成像；当目标靠近或者远离焦平面时，则有规律地对应于相邻的微透镜的r或t区域内。根据上述的目标成像位置与焦平面的关系，通过目标的成像位置可实现目标的位置估计，但该设计忽略了图像的合成与重构，图像质量较差。2001年，Naemur采用该微透镜阵列，获得在一定景深范围内的清晰成像，效果如图3（d）所示[7]。此系统可通过加大主透镜的景深与微透镜的数量来扩大景深范围及分辨率。第二种形式是TOMBOS（thin observation module by bound optics）成像系统[8]，主要由微透镜阵列和传感器组成，如图3（b）所示。此结构由Ogata于1994年首先实现[9]，随后经历了Duparr[10]等人新技术改进。与普通透镜相比，在相同视角下，采用N×N的微透镜阵列可将相机厚度缩小为普通透镜厚度的1/N2，但存在的微透镜衍射问题使成像质量较差。后期通过反投影重建及多维矩阵的图像预处理法，提高融合图像质量和图像重建的迭代收敛速度，获得清晰融合图像[11]，见图3（e）（左侧为单个透镜下获取的图像，右侧为融合后的清晰图像）。 第三种形式是4D全景相机[12]，由主透镜、微透镜阵列，传感器阵列组成，如图3（c）所示。2005年Ren Ng等人设计的全景相机，主透镜和微透镜阵列构成了具有不同焦距的透镜结构，改变了原有单透镜的单焦距成像；主透镜下的多焦距使一次拍摄获得多区域内的清晰成像，扩大清晰成像的区域，解决了Adelson及TOMBOS的成像质量问题。根据成像原理，全景相机中主透镜和微透镜阵列组合成多焦距透镜阵列，在光场中可对不同景深目标实现分层清晰成像。在数字图像处理中，通过FourierMellin频域图像处理技术获得多景深目标的清晰图像，见图3（f）（左侧为单个CCD获取的图像，右侧为融合后的全景清晰图像）。这不仅避免了信息的丢失，同时为实现对目标距离的估计提供了解决方案。
2.2.2曲面微透镜仿复眼结构现有的面阵传感器阵列，主要是通过设计合理的光反射或折射器件将曲面分布的微透镜阵列聚焦成像在平面传感器上。采用光纤传像束结合微透镜的方式：利用光纤束的柔韧特性，一端连接微透镜，另一端通过聚焦透镜成像在CCD上。2004年，Hornsey R[13]利用10个“光纤-透镜”单元组成2×5的排列，通过将多个单元的装配，获得一个具有150°水平视角的成像系统，见图4。多层微透镜阵列的设计可扩大透镜视角，如张红鑫等人通过LightTool模拟的三层微透镜阵列结构，透镜阵列的叠加使视角从单层微透镜阵列60°扩大到三层透镜的88°[14]。Wimmer R等人结合内外两层曲面微透镜阵列[15]，通过光纤传像束将每个透镜通道的光线传递到传感器上成像。曲面微透镜阵列使得系统结构紧凑、视角范围扩大，结合光纤的使用，提高了光导率和曲面透镜的成像质量，同时提高相邻透镜的重叠视野区域，避免盲区的出现。随着特种加工技术的发展，实现了曲面微透镜阵列的一体化制造。2006年，Jeong K H等人通过软光刻技术（soft lithography）实现由自聚焦透镜阵列组成的直径为2.5 mm的曲面仿复眼结构[16]，通过光刻技术实现曲面的微透镜以及自导光路；Zhu等人于2011年通过传像光纤获得图像[17]；2007年，Radtkea D等通过激光雕刻技术，在曲面上加工121×121个相邻夹角为0.177°视角为0.354°的微透镜阵列，构成了具有31°×31°视角的仿复眼透镜结构[18]，但图像间存在盲区；2010年，Li L等人采用超精密金刚石车削技术在弧形光学表面加工透镜阵列，通过微孔径、微透镜阵列及微棱镜，实现了直径为20 mm、视角18.43°的球面状光学机构[19]，突破了小数量仿制生物复眼的视觉系统[20]。采用一体化设计实现的微透镜阵列及自导光路，成像质量较差，如何避免光在传播过程中的能量衰减以及提高相邻透镜的视野重叠区域是一体化制造的目标。3结论采用微透镜阵列设计的仿复眼多孔径系统在成像质量、成像视角方面具有优越性：平面微透镜阵列的设计使得光学系统具有更多的焦距，获得更多的成像清晰区域，结合图像处理技术能获得全景清晰的图像。目前采用装配方式实现的曲面微透镜阵列的结构，具有视角大的特点，且通过一体化制造技术可实现曲面透镜结构的微型化，但存在成像质量差等不足。为实现全景成像清晰、结构简单的仿复眼大视场系统，可采用光纤传像束与曲面/平面微透镜阵列结合的方式：首先使用文献[13]中曲面定位的传像光纤束环境，采用文献[12]中所述的主透镜与微透镜阵列，获得目标在CCD中的成像；其次采用小波变换等获得各光纤束的不同景深成像的融合图像；最后采用具有SIFT、SUSAN、SURF等图像拼接技术的嵌入式系统实现全景的快速拼接[2122]，从而实现大视角的全景清晰成像。
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透镜设计范文6
关键词:随机模拟 透镜体 布尔建模 钻孔
中图分类号:TU19 文献标识码:A 文章编号:1672-3791(2011)09(a)-0027-02
在工程勘察或基础设计方面,传统做法是假设土层水平,将透镜体或尖灭不见的软弱夹层的工程效应略去不计,这是因为土层中的软弱透镜体夹层,其形状、深度、出现频率不易掌握,若在计算中将单独出现的透镜体纳入研究,势必会延伸成一新的水平土层,故大部分研究都将透镜体忽略不计,此等做法颇可商榷。事实上透镜体夹层由于其高压缩性和高孔隙比,很容易引发差异沉降,而差异沉降相对于均匀沉降而言危害更为严重,这必然对地基沉降有相当程度的影响。
1 透镜体
1.1 简介
透镜体主要成分为粘土矿物,颗粒较小,不同的环境形成的透镜体有很大的差异,透镜体按成因分为沿海沉积类和内陆沉积类。
(1)沿海沉积类。
①滨海相沉积:此类土层常夹粉砂薄层或透镜体。特别是年代较新的土,工程性质差。②三角洲相沉积:海相与陆相的的交替沉积,多交错斜层理或不规则的透镜体夹层。
(2)内陆沉积类。
①湖相沉积:往往含有不等的泥炭夹层或透镜体。②河漫滩相沉积:河流的中下游河谷常有此类沉积相。软弱土常夹于上层粘土层之中,常为透镜体状,大小、成分、性质变化大。③牛轭湖相沉积:土层性质类似湖相沉积,但分布范围窄,呈透镜体埋于冲积层下（如图1）。
2 布尔方法简介
2.1 基本原理
设为坐标随机变量,是表征第类几何物体几何特征(形状、大小、方向)的参数随机变量;则第类几何物体中心点的分布构成过程,它可以用形状随机过程和表示第类几何物体出现与否的指标随机过程来表示。两者的联合分布“示性”,从而构成一示点过程;坐标位置点过程的产生方法视具体情况而定。在认为示性点位置完全随机的前提下,当目标位置相互独立、目标密度为常数时,可以认为目标中点位置符合平稳泊松点过程。当目标位置既相互独立,又相互联系(如重叠)时,相应的点过程称为吉布斯点过程。以泊松点过程为基础的模拟方法适合模拟砂土背景上存在小尺度透镜体隔层这类现象;而以吉布斯点过程为基础的模拟方法适合于以河道砂层带内各河道透镜体相互镶嵌的现象,如模拟河流或河流三角洲河道及相关地区。
2.2 计算方法
透镜体很少是一种简单的形状,也很少按确定的随机分布规律随机地分布于地层之内。即使很密集的3―D露头采样所取得的数据也很难确定{,(=1,2,3…,∈定义域)}的复杂联合分布。因此,布尔离散模型的确定主要是一个“逐步逼近过程”;即用各种参数分布和相互作用的多种组合进行迭代,直至最终得到令人满意的随机图像为止;具体地讲,就是根据具体问题设计一个目标函数,并确定一个目标函数阈值;用随机抽样的方法,通过从已知样本中抽样产生示性点过程随机变量,计算目标函数值,直至达到函数阈值为止。
(1)随机抽样产生透镜体中心位置。
(2)从经验累积概率分布函数中随机抽取透镜体厚度。
(3)由已确定的厚度-长度关系确定透镜体长度。
(4)计算目标函数值():
(1)
(5)重复上述过程产生另一个透镜体,计算值,直至达到给定为止。
2.3 值计算公式推导
假定钻井数足够大。如图3所示,设为剖面宽度,L为剖面长度,为均匀细分剖面小段的个数,为一个细分小段尺寸,为细分小段内截取的透镜体厚度平均值(图3)。又设为第细分小段内透镜体钻遇率,即:
(2)
其中为第细分小段内砂土钻遇透镜体井数,为钻井总数。
常数(3)
其中,为第细分小段内截取的透镜体累计长度。第细分小段内截取的透镜体累计面积:
(4)
当足够小时,,第细分小段内截取的透镜体面积百分数：
(5)
因此,所有细分小段内截取的透镜体面积百分数累计为:
(6)
2.4 随机建模步骤
2.4.1 布尔模拟前期数据处理
(1)确定各砂层组的透镜体体长/厚比。按照各砂层组的沉积特征,参照附表确定透镜体宽／厚比分别。
(2)确定透镜体／剖面面积比。透镜体／剖面面积比由式(1)定义。在钻井数量很少的情况下,由于井间透镜体的分布情况是未知的,直接确定值是很困难的,甚至是不可能的。因此,必须寻求其它途径求取值。本文采用的方法是:①将剖面细分成个小段,使得每一细分小段厚度(出)远远小于透镜体成因单元厚度;②统计每一小段内的砂岩钻遇率();③计算:即。
(3)统计砂层组透镜体成因单元厚度分布。
(4)确定单透镜体在纵向上的分布概率。
(5)采用前述算法进行随机模拟。
2.4.2 布尔模拟实现步骤
布尔模拟实现的一般步骤为:(1)把已知井位处的透镜体条件化,得到条件数据(见图2a),砂体中心位置可以是随机的;(2)随机抽样产生预测砂体中心位置(x,z)(见图2b);(3)检查该砂体与已知井位处的数据是否发生冲突,若是,调整该砂体(见图2c),否则进行下一步;(4)从经验累积概率分布函数中随机抽取该砂体厚度;(5)由已确定的厚度、宽度关系确定砂体宽度;(6)计算目标函数(砂体剖面面积创面总面积)的值;(7)转到步骤(2)产生另一透镜体,计算值,直至达到给定阙值为止(见图2d)。
3 透镜体随机生成
3.1 透镜体随机生成的实施步骤
用电子计算机随机生成透镜体进行相关数值模拟之前,首先需要确定生成区域,透镜体的形状以椭圆进行模拟,然后根据统计数据,分别建立三个分布函数,透镜体中心点分布函数、长短轴分布函数和倾角分布函数,可以是均匀分布,正态分布或者对数正态分布。根据其分布形式采用蒙特卡罗法产生相应分布的随机数,在该区域中随机生成透镜体的中心位置,长轴、短轴和倾角,用计算机模拟产生透镜体的透镜体单元,一般步骤为以下几点。
(1)根据的分布形式产生随机数确定第个颗粒的中心位置。
(2)根据和的分布形式产生两个随机数,确定该颗粒的长短轴比和长轴a并求得短轴．这样一个透镜体的初步位置得以确定。
(3)检验该透镜体是否合适,即保证新产生的椭圆要在允许的边界之内,如果考虑透镜体不能与已产生的发生重叠,必要时对新产生的透镜体的参数进行微小的调整再进行试算。
3.2 椭圆重叠的判断
在整体坐标系中,两个椭圆的重叠判断可用数学公式推导求得,但相对较复杂。本文改将其中一椭圆形颗粒(颗粒i)的边界点以有限点逼近,另一椭圆形颗粒(颗粒j)以其长轴(短轴亦可)为映射基准轴,将颗粒j映像成圆形颗粒,而颗粒i的有限点亦同时随之以同样方式映像,最后以映射后的颗粒i的有限点与颗粒j映射后所产生的圆形颗粒进行重叠判断。椭圆重叠判断可根据下式进行判断（如图3）:
为椭圆j的主轴与水平的夹角,为颗粒j外部点坐标,为点与椭圆形颗粒j中心点连线方向与水平方向的夹角,为椭圆j的长短轴半径。
若存在任一有限点在映射后所产生的圆形颗粒内,即,则可判断此二颗粒重叠;若映射后仅有一有限点位于映射后所产生的圆形颗粒圆周上,即,则此二颗粒接触但无重叠;若映射后没有任何一有限点点位位于映射后所产生之圆形颗粒内或圆周上时,即则此二颗粒未接触且无重迭。
两个透镜体相交,需要调整对透镜体的中心做修正调整。修正后的颗粒继续与其它颗粒判断和修正,若超过予先允许的修正次数,仍找不到合适位置,则退出判断,需产生新的随机数,重新开始检验。
4 结语
模拟结果表明,布尔建模方法可以揭示透镜体的分布以及在横向、纵向上的变化规律,很好的再现透镜体的空间分布,有利于更真实的反映实际的工程地质条件。
在井资料很少的情况下,使用布尔方法建立的透镜体连续性模型,使得建模参数更合理、可信,布尔方法简单、使用灵活。具体应用时可以容易也将地质资料加入到模型中,模拟结果比较贴近地质概念。
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