一种液体透镜在振动条件下的成像稳定性测试系统及方法

本发明属于光学器件性能测试与动态成像评价，具体涉及一种液体透镜在振动条件下的成像稳定性测试系统及方法。

背景技术：

1、液体透镜是一种通过改变液体界面形态或液体作用状态实现光学焦距调节的新型光学器件，具有结构紧凑、响应速度快、无需机械移动部件等特点，在微型成像设备、自动对焦系统、机器视觉以及特殊环境光学系统中具有广泛应用前景。

2、现有针对液体透镜性能的评价方法主要集中于静态光学性能和基本动态响应特性，例如焦距调节范围、光学分辨能力、响应时间以及静态成像质量等指标。这些评价方法通常是在相对稳定的工作环境下进行，主要关注液体透镜本身的调焦能力和成像性能。

3、然而，在实际应用过程中，液体透镜可能受到外部机械振动、冲击等动态载荷影响。例如，在航空航天设备、机器人视觉系统、车载视觉设备以及复杂工业环境中，液体透镜需要在持续振动条件下保持稳定成像。由于液体透镜内部依靠液体界面形态变化实现光学调节，外部振动可能引起液体运动、界面变化以及光路扰动，从而导致成像位置偏移、图像畸变以及成像稳定性下降。

4、目前，对于振动环境下液体透镜动态成像性能的评价，尚缺少能够同时考虑机械振动输入和图像动态响应的定量测试方法。现有方法通常侧重于观察振动前后图像变化，或者仅利用单一图像偏移指标评价成像变化，难以区分由于整体光学成像偏移引起的变化与液体透镜光学状态变化导致的局部几何畸变，因此无法全面反映液体透镜在振动环境中的动态成像稳定性能。

5、因此，有必要提出一种能够同步获取振动输入信息和液体透镜成像响应信息，并对振动条件下液体透镜产生的成像变化进行定量分析的测试方法，以实现对液体透镜动态抗振成像性能的有效评价。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明公开了一种液体透镜在振动条件下的成像稳定性测试系统及方法，通过构建包含机械振动装置、待测液体透镜、成像装置、标靶、位移检测装置以及数据采集与处理装置的测试系统，使待测液体透镜、成像装置以及标靶在振动过程中保持稳定的相对空间关系，同步获取机械振动输入信息和液体透镜成像响应之间的关联关系，通过对振动状态下标靶特征点的位置变化进行检测，建立静态参考状态与动态振动状态之间的对应关系，区分整体图像运动与液体透镜自身光学状态变化导致的局部成像变化，从而获得液体透镜在振动环境下产生的整体成像漂移量以及局部几何畸变量，有效评价液体透镜在振动环境下的动态抗振成像性能。

2、为达到上述目的，本发明的技术方案如下：

3、一种液体透镜在振动条件下的成像稳定性测试系统，包括机械振动装置、待测液体透镜、成像装置、标靶、照明装置、位移检测装置以及数据采集与处理装置。

4、其中，所述待测液体透镜设置于成像装置与标靶之间，所述成像装置、待测液体透镜以及标靶沿光轴方向依次布置，使标靶经过待测液体透镜后形成的光学图像能够被成像装置采集。

5、所述成像装置、待测液体透镜以及标靶安装于机械振动装置的同一振动平台上，使所述成像装置、待测液体透镜以及标靶能够随机械振动装置同步运动，并保持三者之间的相对空间位置关系基本不变。

6、通过上述设置，在机械振动装置产生振动激励时，可降低由于测试系统整体刚体运动导致的成像变化影响，使成像装置采集到的图像变化主要反映待测液体透镜自身光学状态变化所导致的动态成像响应。

7、所述标靶设置有多个按照预定空间规律分布的可识别特征点，用于建立振动状态下图像分析所需的空间参考。

8、所述照明装置用于为标靶提供稳定照明，以提高标靶特征的成像质量和识别稳定性。

9、所述位移检测装置用于检测机械振动装置或待测液体透镜安装位置在振动过程中的实际位移变化，并获取与振动过程对应的机械位移时序数据。

10、所述数据采集与处理装置分别与成像装置以及位移检测装置连接，用于同步获取振动过程中的图像数据和机械位移数据，并根据两类数据的时间信息建立对应关系。

11、进一步地，所述数据采集与处理装置根据振动状态下标靶特征点相对于静态参考状态的位置变化，计算待测液体透镜产生的动态成像变化，并对所述动态成像变化进行分析处理，获得用于评价液体透镜成像稳定性的评价参数。

12、一种液体透镜在振动条件下的成像稳定性测试方法，包括如下步骤：

13、s1，将成像装置、待测液体透镜以及标靶依次安装于机械振动装置的振动平台上，调整成像装置、待测液体透镜以及标靶之间的相对位置，使待测液体透镜与成像装置保持光轴一致，并使标靶能够经待测液体透镜后清晰成像；

14、设置照明装置对标靶进行稳定照明，并设置位移检测装置用于采集机械振动过程中的实际位移信息；

15、s2，在机械振动装置未施加振动激励的情况下，通过成像装置采集多帧静态状态下的标靶图像；

16、根据所述静态标靶图像进行特征识别，获得静态状态下标靶特征点的位置坐标，并建立用于后续动态成像变化分析的静态参考特征点集合；

17、s3，根据测试需求设置机械振动装置的振动参数，对待测液体透镜施加预设振动激励。

18、在振动过程中，通过位移检测装置连续采集机械振动位移数据，同时通过成像装置连续采集经过待测液体透镜形成的标靶动态成像图像；

19、所述数据采集与处理装置记录图像数据和位移数据对应的时间信息；

20、s4，根据位移检测装置采集的机械位移数据和成像装置采集的图像数据对应的时间信息，对两类数据进行时间匹配；

21、通过时间对应关系，获得同一振动过程下机械振动输入参数与液体透镜动态成像响应之间的数据对应关系；

22、s5，对振动状态下采集得到的标靶图像进行特征识别，获得各振动时刻对应的标靶特征点位置坐标；

23、将振动状态下的特征点坐标与静态参考特征点集合进行匹配，建立同一特征点在不同状态下的位置对应关系；

24、s6，根据振动状态下各标靶特征点相对于静态参考特征点的位置变化，计算标靶图像在振动过程中的整体位置变化；

25、对于有效分析区域内的多个特征点，根据各特征点在水平方向和垂直方向的位置变化，获得对应方向上的整体成像漂移量；

26、所述整体成像漂移量用于表征待测液体透镜在振动作用下产生的整体视场偏移；

27、s7，为了区分振动导致的整体图像运动与液体透镜自身光学状态变化引起的局部成像变化，对静态参考特征点集合与振动状态特征点集合之间建立整体几何变换模型；

28、通过所述整体几何变换模型去除由整体平移、旋转以及尺度变化产生的影响；

29、根据实际检测得到的特征点位置与整体几何变换预测位置之间的差异，获得去除整体运动影响后的残余位移；

30、根据有效分析区域内全部特征点的残余位移计算局部几何畸变量，用于评价液体透镜在振动条件下产生的非均匀成像变化；

31、s8，针对不同预设振动工况，重复执行步骤s3-s7；实验过程中观察液体透镜液/液面发生破损失效情况，立即停止实验并更换液体透镜，重新执行步骤s2；

32、s9，根据不同振动条件下获得的机械振动参数、整体成像漂移量以及局部几何畸变量，建立振动输入参数与液体透镜动态成像响应之间的对应关系。

33、通过分析不同振动频率、振动幅值条件下整体成像漂移量以及局部几何畸变量的变化规律，对待测液体透镜在振动环境下的成像稳定性和抗振性能进行评价。

34、本发明的有益效果为：

35、本发明将成像装置、待测液体透镜以及标靶共同安装于机械振动装置的同一振动平台上，使待测液体透镜、成像装置及标靶在振动过程中保持稳定的相对空间关系，同时通过位移检测装置与数据采集处理装置同步获取机械振动位移数据和标靶动态图像数据，并基于时间信息建立机械振动输入与液体透镜动态成像响应之间的对应关系，实现对振动条件下液体透镜成像变化过程的定量分析。

36、本发明通过对振动状态下标靶特征点的位置变化进行分析，将液体透镜产生的动态成像变化分解为整体成像漂移量和局部几何畸变量两个评价参数。其中，整体成像漂移量用于表征振动过程中成像视场整体位置变化情况，局部几何畸变量用于表征由于液体透镜内部液体运动、光学界面变化等因素引起的非均匀成像变化，从而能够分别反映液体透镜在振动环境下的整体稳定性和光学状态变化特征。

37、相较于现有主要通过振动前后图像变化或单一图像偏移量评价成像性能的方法，本发明能够结合机械振动输入信息和动态成像响应信息，对液体透镜在振动条件下的成像稳定性进行更加全面的评价，有利于区分由整体运动引起的图像变化与由液体透镜自身光学状态变化引起的成像畸变，提高液体透镜动态抗振性能测试的准确性和评价可靠性。