门选通技术抑制后向散射分析与实验

分析了大气条件下光学主动成像中的后向散射过程,得出最近后向散射距离是影响后向散射效应的主要因素。通过对最近后向散射距离的分析,得出大视场条件下门选通技术是抑制后向散射的有效方法。利用半导体激光器研制成的主动照明光源在晴朗大气条件下进行主动成像的实验。实验表明门选通成像较普通主动成像有效提高了成像质量,验证了理论分析的正确性和门选通技术的有效性。     

多级投影式集成成像三维显示视场角拓展

针对集成成像三维再现像的视场角较窄,实用化受限的问题,提出了一种拓展集成成像视场角的新方法,并基于多级投影技术构建了具有大视场角的三维集成成像系统。该系统利用多个投影仪并联投射不同级次的元素图像阵列并进行三维重构来获得大视场角的集成成像再现像。与传统的集成成像视场角拓展技术相比,所提方法具有系统结构简单、无需场镜等辅助光学器件;系统中没有机械运动,不会产生振动和噪声;以及可用于大尺寸集成成像显示系统的优点。光学实验结果表明,提出的多级投影式集成成像显示系统的再现像视场角为±35°,是传统的集成成像系统获得的视场角的2.92倍,明显拓展了视场角。     

现代显微成像技术综述

概述了光学宽视场显微镜、共聚焦显微镜、超分辨率显微镜中所应用的现代显微成像技术,对各种传统和先进的显微成像原理进行了总结。光学宽视场显微镜最常用的显微技术有明场成像、暗场成像、相衬成像、偏光成像、微分干涉(DIC)成像、调制对比成像和荧光成像。相衬成像中根据不同的成像结构还有切趾相衬成像。微分干涉除了传统的偏振光照明还有圆偏振光照明(C-DIC)和专用于塑料的微分干涉(PlasDIC)。共聚焦显微镜随着计算机技术和制造技术的发展而有了巨大的发展。除了传统的共聚焦荧光显微镜以外,还有连续反斯托克斯拉曼散射(CARS)共聚焦、多光子共聚焦和白光共聚焦。超分辨率显微镜中主要介绍了受激辐射淬灭(STED)技术和紧随基态淬灭显微技术的单分子返回(GSDIM)技术。     

同心多尺度成像模式下的高分辨子成像系统设计

以同心多尺度成像模式为基础,结合人眼视网膜凹成像思想,提出了一种宽视场与双分辨率成像组合的新型同心多尺度成像系统,在广域视场范围内实现了对关注的感兴趣目标区域的高分辨动态注视。介绍了同心多尺度双分辨率成像系统的工作方式;使用一个单透镜和一个双胶合透镜为初始结构,结合二轴微机电系统(MEMS)扫描微镜组合形成光路;利用ZEMAX光学设计软件,优化设计了成像波段为0.486~0.656μm,在单个分通道视场内(30°)可对关注的小视场区域(6°)高分辨注视跟踪的子成像系统。对成像系统的像质以及点列图、调制传递函数(MTF)曲线、场曲、畸变曲线进行了评价。结果表明设计的子成像系统在全视场内成像均匀,接近衍射极限,场曲和畸变较小,最大场曲不超过0.6mm,最大畸变小于1.5%,能够满足同心多尺度双分辨率成像系统对子成像系统性能的要求。     

大孔径面视场PG成像光谱仪的光学设计

针对成像光谱仪通过狭缝进行线视场成像时存在的孔径较小、光学透过率较低等问题,研究了一种基于棱镜-光栅型分光结构的大孔径面视场成像光谱仪。该棱镜-光栅成像光谱仪采用表面浮雕型透射光栅,极大地降低了光栅的制作难度与成本。大孔径面视场的成像光谱仪相较于线视场成像光谱仪有较高光学效率和时间效率。但是面视场成像光谱仪的色畸变与谱线弯曲较难校正。本文将前端望远系统与分光系统进行一体化设计,满足远心光路匹配和孔径匹配,较好地校正了面视场光谱成像系统中的谱线弯曲和色畸变。并且通过加入非球面反射镜及校正镜很好的校正了由于大孔径面视场所引入的非对称性离轴像差。结果表明,设计的大孔径面视场PG成像光谱仪光谱波段范围400~1 000nm,光学调制传递函数达到0.65以上,光谱分辨率达2.5nm,全谱段不同视场的谱线弯曲小于5μm,色畸变小于8μm。     

芯片焊接机光学探头的设计及标定

为了在一个视场同时看到处于准焊接位置的电子芯片和基板上的标记是否对准,以及芯片和基板是否平行,设计并标定了提供对准成像功能和准直检平功能的光学探头,包括对目标的照明系统。保证了芯片焊接的准确性。     

红外双波段双视场成像告警系统设计

针对复杂环境下远距离点目标弱目标探测的需求,设计了红外双波段双视场成像告警系统。为提高其目标探测能力以及环境适应能力,该系统采用高阶非球面,减少系统镜片数量,提高系统透过率,同时校正轴上、轴外像差及高级像差,提高系统成像质量;采用光学被动消热差方式,实现了光学系统-40~60℃的无热化设计。采用旋转电磁铁为驱动元件,实现了80 ms大/小视场切换速度以确保目标在视场切换过程中不丢失。采用电限位、机械限位以及磁力锁紧机构作为限位组件,实现了大/小视场切换后光轴晃动小于两个像素的稳定精度。设计结果表明,该红外成像告警系统光机结构设计合理、结构紧凑、成像质量好,满足目标探测要求,在红外成像告警领域具有较好的应用前景。     

机载宽视场大相对孔径成像光谱仪

根据宽视场大相对孔径成像光谱仪的应用要求和技术指标,采用离轴Schwarzschild望远成像系统和双Schwarzschild光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个视场为28°、相对孔径为1/2.5、工作波段为0.4~1μm的机载成像光谱仪光学系统;根据双Schwarzschild光谱成像系统的像散校正条件计算了初始结构参数。然后,利用光学设计软件ZEMAX-EE进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行了分析与评价。结果显示:光谱成像系统中心波长和边缘波长88%以上的能量集中在一个探测器像元内;谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元的5%,便于光谱和辐射定标;成像光谱仪全系统在各个波长的光学传递函数均达到0.59以上,完全满足设计指标要求。该成像系统体积小、重量轻,非常适合航空遥感应用。     

太赫兹极化合成孔径雷达成像系统设计

基于单站逆合成孔径雷达成像原理,设计了一套太赫兹近场极化合成孔径雷达成像系统。系统在电学成像方式的基础上引入了光学器件硅分束器,达到了基于单站逆合成孔径雷达成像原理的伪双站成像效果。详细分析了系统中由硅分束器引起的系统误差,并提出了校准方案。解决了在近场成像场景中,由于高增益天线视场角窄而引起的多站成像困难的问题。实验结果表明,系统校准方案取得了良好的校准效果,成像系统能够准确地获取目标极化图像。     

用于动态目标跟踪的面阵CCD成像系统

采用面阵CCD ICX415AL作为传感器件,设计了一种新型的用于动态目标跟踪的面阵CCD成像系统.成像系统对两片面阵CCD进行光学拼接,使其完全共面,从而保证在目标分辨率不变的情况下使视场角增加一倍,满足了大视场搜索目标的要求.在介绍面阵CCD ICX415AL的结构和特点的基础上,完成了ICX415AL的时序电路和功率驱动电路的设计,并采用相关双采样(CDS)技术滤除了视频信号中的相关噪声,提高了系统的信噪比.为了获得好的成像质量,对所设计的系统进行了辐射定标.根据文中的定标实验数据,确定了最佳的动态范围和工作点.实验结果表明:在曝光时间为0.192～0.72 ms时,成像系统工作正常,在曝光时间为0.32 ms时,成像系统动态范围最大.整个系统采用现场可编程门阵列(FPGA)作为核心控制器件,完成自上而下的模块化设计,实现了硬件设计的软件化,提高了开发效率.     

全视场在线图像可视铁谱磨粒显微成像特性分析

为了评估全视场在线图像可视铁谱磨粒显微成像特性,提出了一种反射光显微成像模型。首先,基于朗伯余弦与小角度散射理论建立了全视场(OLVF)的反射光辐照度模型,实现了磨粒显微成像清晰度定量评价。然后,仿真计算磨粒显微成像的反差透视比,确定了最优光学倍率和适用于全视场OLVF探测的油液衰减系数范围,明确了光学参数对磨粒显微成像质量的影响规律。结果显示：光学倍率为2.0×且油液衰减系数≤2.0条件下,磨粒沉积于物方视场的主光轴附近,全视场OLVF可获得最佳磨粒显微成像清晰度。最后,开展了磨粒显微成像实验测试,结果表明：全视场OLVF能够从油液衰减系数小于2.0的在用液压油和齿轮油中获取反射光谱片图像,并提取磨粒视觉信息进行磨损在线监测。     

结合暗场散射与曲率成像的镜面缺陷检测方法

在镜面表面缺陷检测技术中,常用的暗场成像检测法对于波纹类的三维镜面缺陷难以形成对比度,为此提出了一种结合暗场散射法和曲率成像法的综合型镜面表面缺陷检测方法。分别对暗场成像原理和基于条纹反射的曲率成像原理进行了理论分析;构建了结合两种成像模块的综合型镜面缺陷检测的实验装置;对注塑反射镜和抛光玻璃薄片两种样品进行了缺陷成像实验。实验结果表明,暗场散射成像可以有效检测麻点、划痕和油污等不同类型镜面缺陷,曲率分布图像可以清晰反映镜面表面的三维波纹缺陷,综合两种方法可以全面反映镜面表面的各类缺陷。该方法可为精密光学元件表面缺陷检测提供参考。     

激光主动成像图像的多帧后处理算法研究

在确定激光器的发散角度、脉冲峰值功率、接收光学系统的参数以及确定激光器和接收光学系统的几何配置后,激光主动成像系统要想得到更远距离更高分辨率的微弱目标的图像,就只受微弱目标的探测成像及处理技术的制约,因为在较长的距离和有限的激光能量下,不可能立刻照明整个目标场景,接收成像端CCD上每个像素接收到的光照度也不可能达到相当的水平。为了在特定的脉冲激光能量下增加成像系统的成像距离,同时减轻大气扰动对成像分辨率的影响,研究了一种独特的图像处理算法,用激光多脉冲来获取整个目标场景的图像,采用辐射量来确定每次曝光时间内最大景物照明区域,这种独特的多帧后处理算法,可以在大气扰动和连续散粒噪声影响下,得到比传统连续照明方式更高分辨率的图像。     

Optical Property Analyses of Plant Cells for Adaptive Optics Microscopy

In astronomy, adaptive optics (AO) can be used to cancel aberrations caused by atmospheric turbulence and to perform diffraction-limited observation of astronomical objects from the ground. AO can also be applied to microscopy, to cancel aberrations caused by cellular structures and to perform high-resolution live imaging. As a step toward the application of AO to microscopy, here we analyzed the optical properties of plant cells. We used leaves of the moss Physcomitrella patens, which have a single layer of cells and are thus suitable for optical analysis. Observation of the cells with bright field and phase contrast microscopy, and image degradation analysis using fluorescent beads demonstrated that chloroplasts provide the main source of optical degradations. Unexpectedly, the cell wall, which was thought to be a major obstacle, has only a minor effect. Such information provides the basis for the application of AO to microscopy for the observation of plant cells.     

基于距离选通的激光主动成像技术的研究

距离选通激光主动成像可在恶劣环境条件下有效克服大气后向散射和背景干扰,得到被观测目标的高对比度图像.详细分析了大气后向散射对主动成像系统的影响,阐述了距离选通成像技术高速门控成像的原理,并就构成距离选通激光主动成像系统的关键器件如光源、像增强CCD(ICCD)、接收光学系统提出了具体性能要求和选取中需遵循的依据,文章最...     

强湍流下并行中继自由空间光通信的中断分析

在大气强湍流条件下,对并行中继自由空间光通信系统的中断概率进行了研究.考虑大气衰减、大气湍流和指向误差对自由空间光通信系统传输性能的影响,建立了自由空间光通信系统的复合信道模型.基于此信道模型,推导了并行中继自由空间光通信系统端到端中断概率的解析表达式.最后,通过计算机仿真分析了发送功率、指向误差及通信距离对通信系统中断概率的影响.仿真结果表明,并行中继传输技术可以有效提高自由空间光通信系统的中断性能.此外,所推导中断概率的解析表达式可准确地评估并行中继自由空间光通信系统的传输性能,为未来自由空间光通信系统的设计提供理论依据.     

同心三反射镜光学系统研究

介绍了由同心折、反射面组成的光学系统的一般特性,揭示了如果入射光束与出射光束平行,那么系统对空间任一点成几何理想像。讨论了同心光学系统实物成实像的条件和Offner系统的环视场,给出了Offner系统的计算公式。     

Imaging modes for bilateral confocal scanning microscopy

The bilateral scanning approach to confocal microscopy is characterized by the direct generation of the image on a two-dimensional (2-D) detector. This detector can be a photographic plate, a CCD detector or the human eye, the human eye permitting direct visualization of the confocal image. Unlike Nipkow-type systems, laser light sources can be used for excitation. A design called a carousel has been developed, in which the bilateral confocal scan capability can be added to an existing microscope so that rapid exchange and comparison between confocal and non-confocal imaging conditions is possible. The design permits independent adjustment of confocal sectioning properties with lateral resolutions better than, or, in the worst case equivalent to, those available in conventional microscopy. The carousel can be considered as a stationary optical path in which certain imaging conditions, such as confocality, are defined and operate on part of the imaging field. The action of the bilateral scan mirror then extends this image condition over the whole field. A number of optical arrangements for the carousel are presented which realize various forms of confocal fluorescence and reflection imaging, with point, multiple point or slit confocal detection arrangements. Through the addition of active elements to the carousel direct stereoscopic, ratio, time-resolved and other types of imaging can be achieved, with direct image formation on a CCD, eye or other 2-D detectors without the need to modify the host microscope. Depending on the photon flux available, these imaging modes can run in real-time or can use a cooled CCD at (very) low light level for image integration over an extended period.     

基于对比度的空中红外点目标探测距离估计方法

基于最小分辨对比度准则,研究了天空背景下红外点目标的最大探测距离估计方法.首先,分析了红外波段大气辐射传输与衰减、对比度限制光电成像系统功率响应特性,建立了目标表观对比度模型,并推导出了由气溶胶消光系数和距离参量确定的探测距离方程.然后,对目标天空背景温差、发射率,气溶胶衰减系数,瞬时视场、对比度探测阈值以及辐射波长等参数作了详细讨论.最后,利用LOWTRAN7程序的典型大气模式数据,对红外点目标探测距离进行了数值模拟.