星载高光谱成像仪光学系统的选择与设计

本文概述了目前高光谱成像仪所采用的光学系统结构,分析讨论了棱镜色散、光栅色散、傅立叶变换三种主流高光谱成像仪分光方式的结构原理和优缺点,棱镜色散光能利用率高,但体积大,棱镜材料受空间环境变化影响较大,光栅色散效率低,但体积小,受环境影响小,傅立叶变换光谱成像系统由于分光棱镜的存在,能量至少损失50%以上。文中对国内外高光谱成像仪采用较多的Offner凸光栅光谱成像系统进行了论述,根据应用目标设计了一个离轴三反射镜望远系统和变倍Offner凸光栅组合的高光谱成像仪光学系统,该系统具有体积小、成像质量好、无光谱畸变的优点,通过加大光学系统的相对孔径,增加系统的入射光能量,弥补了光栅衍射效率低的缺点。     

显微荧光光谱成像仪的研究与设计

将光谱分析技术快速、灵敏、准确等独特的优点,与光学成像技术的定位记录特点融合、构成光谱成像技术,可以提供分析试样中各种化学或生化成份的分布图像,因而可以获得定性、定量和定位综合、更丰富的分析信息。报导在商售落射荧光显微镜基础上,实现显微镜荧光光谱成像技术的理论基础、系统组成、设计技术关键等一系列研究工作,设计研制成了可在250~680nm波长范围内自动扫描的光纤激发显微荧光光谱成像仪样机,并获得了满意的实验结果。     

二元光学透镜在超光谱成像仪中的应用

介绍了二元光学超光谱成像仪的基本原理。提出利用折衍混合透镜代替单一的二元光学透镜来实现色散和成像用于超光谱成像仪,论述了此透镜系统的设计方法,给出了理论设计公式。通过光学设计软件ZEMAX对具体实例进行分析和评估,并利用离子束刻蚀法制作了二元光学透镜系统,展示了二元光学透镜在超光谱成像仪中的应用前景。     

小型Offner光谱成像系统的设计

研究了在发散光束中使用色散元件的小型Ofiner光谱成像系统,分析了Ofiner凸光栅光谱成像系统和Ofiner曲面棱镜光谱成像系统的优缺点,与传统准直光束中使用光栅或棱镜的方法相比,Ofiner光谱成像系统具有体积小、质量轻、无谱线弯曲、色畸变小的特点。给出了两种系统的设计结果,并研究了滤除二级和高级次光谱的方法,给出了与Ofiner光谱成像系统匹配的不同形式的像方远心前置光学系统,可满足微小卫星超光谱成像仪的要求。     

用于大气临边探测的高光谱成像仪研制

用于大气临边探测的高光谱成像仪是一种探测大气痕量气体的新型空间光学遥感仪器。分析了利用高光谱成像仪进行大气临边探测的原理,设计并研制了一台紫外/可见高光谱成像仪原理样机,该样机光学系统由前置望远系统和改进的Czerny-Turner光谱成像系统组成,工作谱段为280～390 nm和560～780 nm,通过转轮切换紫外、可见滤光片分别探测这2个波段。高光谱成像仪原理样机质量为15 kg,体积500 mm×350 mm×200 mm。对该样机的性能进行了检测并测量了低压汞灯的光谱。性能检测结果表明,空间分辨力为0.44 mrad,光谱分辨力为1.3 nm,均满足设计指标要求。该样机结构紧凑、质量小,在空间大气痕量气体探测领域有广泛的应用前景。     

大视场快焦比施密特系统在星载光谱仪中的应用

根据大视场和快焦比空间遥感高光谱成像仪的研究目标,采用折叠三反施密特望远镜和自由曲面Offner凸面光栅光谱仪结构,设计了一个视场为5°,焦比为2,工作谱段在400～1 000nm,光谱分辨率为5nm的星载高光谱成像仪光学系统。推导了非对称非球面施密特主镜的理论计算方法,介绍了镜面的制造方法。利用Zemax光学设计软件进行了光线追迹和优化设计,结果显示光谱畸变0.88%,光谱弯曲1/3探测器像元,所有谱段的光学传递函数均大于0.8,满足星载高光谱成像仪的技术要求。施密特系统结构简单,仅含有一个非球面,在大视场工作时具有像质优良和畸变小的特点,且中心遮拦比小、体积紧凑,适合未来大视场快焦比的大口径星载遥感应用。     

空间光谱成像仪热设计及其分析与验证

为确保空间光谱成像仪的温度水平和温度梯度满足指标要求,分析讨论了空间光谱成像仪整机热设计的特点,根据其结构特点和导热路径,给出了整机热设计方案.采用有限元数值分析方法,建立了整机热平衡方程和热分析计算模型,应用有限元热分析软件IDEAS-TMG在给定温度边界条件下进行稳态仿真分析,给出了整机热响应性能以及关键部件稳态温...     

快照式光谱成像技术综述

系统地分析了各种快照式光谱成像技术并进行了对比。依据光谱数据立方体分割到2D空间进行成像的方法,将不同的快照式光谱成像技术分成图像分割、孔径分割、光路分割和频率分割4类,按类别探讨了17种技术方案的原理、优点、缺点与现状,从空间像素数与光谱通道数权衡、图谱匹配、空间采样连续性、光能利用率及动态范围5个方面进行了对比和展望。研究结果有助于相关领域学者快速全面地了解快照式光谱成像仪的研究现状,为进一步提升其综合性能奠定基础。     

超光谱成像仪光谱温度漂移计算分析

为了为超光谱成像仪光谱温度漂移修正提供依据和指导其光机结构设计,介绍了光谱成像的基本原理,研究了温度变化对超光谱成像仪光机结构尺寸稳定性的影响,通过面型拟合,将MSCNastran的分析结果代入Zemax光学设计软件,计算了光谱漂移量。在＋30℃均匀温升栽荷下,光谱在x方向漂移量为-31μm,小于2pixel（CCD像元为18μm）,y方向漂移量为-29μm,小于2pixel。计算结果表明各波长光线光谱为整体漂移,光谱温度漂移对光谱分辨力和线色散率无影响,光谱漂移随温度呈线性变化。     

超光谱成像仪的精细光谱定标

为了精细标定棱镜色散超光谱成像仪1024×80光谱像元的中心波长和响应带宽,建立了一套光谱定标装置,提出了实现1nm光谱定标精度的定标方法。首先,介绍了产生谱线弯曲与谱线倾斜的原因,确定了精细光谱定标的方法和数据处理算法;然后,利用光谱定标装置测定了全部光谱响应像元的离散单色光响应值,利用高斯方程拟合了相对光谱响应曲线;最后,建立了中心波长矩阵表和带宽矩阵表,采用多项式拟合算法确定了空间视场像元的色散方程和光谱通道谱线弯曲方程,实验测定了温度变化谱线漂移结果。另外,还对光谱定标精度对辐射定标精度的影响进行了分析。光谱定标结果表明:超光谱成像仪的光谱定标精度达到了±1nm,各谱段带宽平均为8.75nm;色散方程及谱线弯曲与设计结果相符,谱线弯曲值为14～19nm,平均值为17nm;1nm的定标精度对辐射定标精度的影响分别小于1%(3000K黑体)和0.25%(6000K黑体),满足超光谱成像仪1nm光谱定标精度的要求。     

快照式光谱光场成像技术

针对快照式多维成像系统难以实现高维成像的问题,本文提出了一种快照式光谱光场成像方法,使用单个探测器实现了对目标场景光谱光场信息的快速获取。该方法将聚焦光场成像结构引入到快照式超光谱成像傅里叶变换光谱仪中,首先获取混叠了目标场景光场信息和干涉信息的原始图像,然后使用基于卷积神经网络的信息重建算法,将光场信息和干涉信息从原始图像中分别提取出来,并分别利用光场和干涉信息来重建目标场景的深度和光谱。本文搭建了快照式光谱光场成像系统,并对该系统在空间、光谱以及时间维度上的表现进行了实验验证。实验结果表明,该系统在将获取信息的维度扩展到七维的同时,其深度重建的均方根误差为7.7 mm,光谱重建的归一化均方根误差为6.87%。     

光声成像及其在生物研究中的应用

作为新型的活体检测设备,商业化的光声成像装置走向市场。本文综述光声成像装置的原理、基本构成、系统集成及发展趋势,尤其关注其在生物领域的应用。     

荧光成像系统对比度分析与成像仿真

目前荧光成像技术在生物医学领域得到越来越广泛的应用。为了缩短产品设计和开发周期,且能更直观地反映系统的成像效果,根据各模块光谱特性曲线,提出了荧光成像链路模型。利用该模型,对荧光成像系统的对比度进行了分析,验证了滤光片光密度(OD)值的合理范围是在5~7之间。最后以荧光显微镜为例,对系统成像过程进行了仿真。结果表明,各模块不匹配也会对系统对比度产生影响,仿真图像能够直观反映出系统的匹配程度和成像效果,并与实际系统测试结果相吻合,证明了该链路模型仿真的可行性和有效性。     

分子影像技术活体追踪移植干细胞的研究进展

干细胞具有分化、再生能力,通过体外扩增和体内移植,可以治疗各种组织坏损和退化性疾病(如心脑血管疾病、脑脊髓外伤和糖尿病等),具有极大的应用前景,是目前国际、国内的研究热点。利用核素显像、磁共振成像和光成像等分子影像技术,通过体外直接标记、报告基因或功能显示等追踪策略,可以显示干细胞在活体内的分布和变化,明确其最终归宿和产生的功能。合理选择这些分子影像技术和追踪策略,或通过互补结合,将有助于阐明干细胞在活体内的作用机制和相关的影响因素,指导临床干细胞治疗抉择和疗效评估。     

高精度光声成像技术在脑成像中应用

光声成像技术可以提供深层组织的高分辨率和高对比度的组织断层图像,是进行脑成像的有力潜在工具之一。本文开展此项研究,搭建一套光声成像实验系统,在此基础上,获得10mm的混浊介质深度下的血管模拟样品图像,直径0.07mm的模拟血管能清晰地成像;活体研究中,成功进行活体白鼠脑部的血管分布的成像研究,重建图像中的各血管位置和形状与实际情况很好的吻合。     

计算机化医学影像仪器的发展

医学影像学的发展非常迅速,本文总结医学影像仪器的发展,X线成像仪器,CT成像技术设备的基本结构,MR I的基本设备结构,CR的结构及PACS系统结构。这些仪器设备都与计算机联用,实现计算机化。     

基于距离选通的非视域成像技术实验

介绍了采用距离选通技术进行非视域成像探测的原理,基于窄脉冲激光器和选通型成像器件搭建了非视域主动成像实验系统。以玻璃作为中介反射面,以黑白条纹靶板作为目标,对目标和周围环境处于不同光照情形时,系统的非视域成像效果进行测试。结果表明,基于距离选通的非视域成像技术是一种能够在不同光照条件下实现对视觉盲区进行有效观察的成像技术。     

基于近程柱面SAR成像的改进距离徒动算法

为了提高近程柱面合成孔径雷达（synthetic aperture radar, SAR）成像的距离徒动算法（range migration algorithm, RMA）成像效率，增加RMA在实际工程中的应用价值，提出了一种SAR成像的改进RMA。该算法采用驻点相位法近似求解获得了波数域下的相位补偿项，避免了传统近程柱面SAR成像的RMA中需对补偿项进行角度维傅里叶变换的步骤，降低了计算量，提高了成像效率。通过峰值旁瓣比（peak side-lobe ratio，PSLR）、峰值信噪比（peak signal to noise ratio，PSNR）和结构相似性（structural similarity，SSIM）对改进RMA的成像质量进行了客观评价。仿真和实验结果表明，该算法提高了近程柱面SAR成像的RMA成像效率。     

A simple and practical method to acquire geometrically correct images with resonant scanning-based line scanning in a custom-built video-rate laser scanning microscope

Most currently available confocal or two-photon laser scanning microscopes (LSMs) allow acquisition rates of the order of 1–5 images s⁻¹, which is too slow to fully resolve dynamic changes in intracellular messenger concentration in living cells or tissues. Several technologies exist to obtain faster imaging rates, either in the video-rate range (30 images s⁻¹) or beyond, but the most versatile technology available today is based on resonant scanners for horizontal line scanning. These scanning devices have several advantages over designs based on acousto-optical deflectors or Nipkow discs, but a drawback is that the scanning pattern is not a linear but rather a sinusoidal function of time. This puts additional constraints on the hardware necessary to read-in the image data flow, one of which is the generation of a pixel clock that varies in frequency with the position of the pixel on the scanned line. We describe a practical solution to obtain a variable pixel clock add-on that is easy to build and is easy to integrate into a custom-built LSM based on resonant scanning technology. In addition, we discuss some important hardware and software design aspects that simplify the construction of a resonant scanning-based LSM for high-speed, high-resolution imaging. Finally, we demonstrate that the microscope can be used to resolve calcium puffs triggered by photolytically increasing the intracellular concentration of inositol trisphosphate.