人眼消色差：色视差问题

如果眼睛不与消色差系统的光轴共轴，那么校正人眼聚焦色差将导致我们所不期望的色视差。用几何光学方法可以证明视差量大约与眼睛的不共轴量成正比，其比例常数与眼睛的色差相同。饮用两种市场上可得到的消色差透镜，通过色差试验证实了此推测。基于这些结果，可以计算出，该消色差透镜给眼睛的复色调制传递函数提供的改进量，将由于透镜和眼睛之间的大约0．4mm的不共轴性抵消。对比灵敏度的心理物理实验已证实了我什1的推测：不关轴量的进一步增大特严重降低已消色差眼睛的成像质量。     

用于中红外成像的锗衍射光具

探测器技术的进展和信号处理在电子技术的改进 ,已使红外成像系统的重量和体积得到减轻和减小。可是 ,光具的尺寸和重量却并未因上述变化而得到相应的改变。为了进行追赶 ,光具设计人员已开始转向用衍射光具来取代传统的红外成像透镜。在过去的几年中 ,科学们曾经演示过用于 3μm～ 5μm近红外至中红外成像的硅衍射光具。现在 ,日本防卫厅的研究人员已演示了一种用于中红外的锗衍射光学元件。这种衍射透镜可以取代前视红外系统成像光具中的硒化锌消色差透镜。日本研究人员设计的这种衍射光学元件可将多元件系统成像透镜部件中的色差减小到最…     

双层硅基级联太赫兹消色差超构透镜

基于对单层超构表面的结构优化而设计的消色差透镜在光学成像上已扮演着重要作用.然而,单层超构透镜的结构设计不能提供足够大的色差补偿相位,从而限制了消色差透镜的尺寸和数值孔径.提出一种双层硅基级联消色差超构透镜的实现方案,相比单层超构透镜能够提供更大的色差补偿相位.优化超构透镜的结构得到从0.5 THz到1.1 THz频率...     

衍/折射光学系统校正二级光谱的研究

将衍射和折射光学元件结合,对星载用宽光谱(420.0～900.0nm)、长焦距(450mm)望远物镜的二级光谱进行了校正,计算了衍射透镜的结构尺寸和望远镜系统的像差.计算机模拟结果表明:采用衍/折射混合校正后的望远物镜的二级光谱不大于0.08mm,轴上点的位置色差也很小,实现了复消色差,光学传递函数也基本接近衍射极限.所设计的整个系统可以满足实用要求.     

基于贝叶斯自适应估计的光子计数集成成像

针对光子数极少环境下三维目标的重构问题,基于光子计数集成成像系统提出了一种贝叶斯自适应估计方法,来提高三维目标深度切片的重构质量。首先,通过光子计数集成成像系统获得一系列光子计数元素图像。接着,从光子计数过程的泊松分布出发,利用集成成像系统中对于同一个目标像素的多次采样特性,引入了局部自适应均值因子,从而建立起元素图像像素光子数估计的单参数后验概率模型。最后,通过后验概率模型的均值计算获得更新后的光子计数元素图像,并基于光束可逆原理重构出深度切片图像。实验结果表明:采用该方法在场景的两个深度处重构的切片图像相比传统贝叶斯重构图像的峰值信噪比提高了7.4dB和8.5dB,极大地提升了微弱光三维目标的重构质量。     

显微高光谱成像系统的设计

设计出一种基于棱镜 光栅 棱镜组合分光方式的显微高光谱成像实验系统.系统根据推帚式成像光谱仪的原理进行设计,采用棱镜 光栅 棱镜组合元件在后光学系统进行光谱分光,利用高精度载物台自动装置驱动样品进行推扫成像,选用PCI总线作为数据采集的微机接口.整个系统由显微镜、分光计、面阵CCD相机、载物台自动装置以及数据采集与控制模块等几部分组成.系统的光谱范围从400nm到800nm,120个波段,光谱分辨率优于5nm,空间分辨率大约1μm.该系统具有直视性、光谱分辨率高、结构紧凑、成本低等优点;不仅能够提供微小物体在可见光范围的单波段显微图像,而且能够获得图像中任一像素的光谱曲线,实现了光谱技术和显微成像技术的结合,成功的将成像光谱技术应用到显微领域,可广泛应用于临床医学、生物学、材料学、微电子学等学科领域.     

消色差超构表面复合透镜

超构表面因其体积轻薄易于集成化,有望在某些特定场合取代传统透镜实现多功能光学器件。超构表面的光束偏转角随波长的增加而增大,与传统折射透镜相比产生相反的色散,这种色散又被称为“异常色散”或“负色散”。理论上利用超构表面的负色散和传统折射光学器件的正色散相抵消,可以完全矫正光学系统的色差。由此出发,设计了一种基于光刻胶材料,由Pancharatnam-Berry(PB)相位型超构表面作为第一透镜,传统球面透镜作为第二透镜的消色差超构表面复合透镜,利用时域有限差分数值模拟软件FDTD Solutions探索了该透镜在780～980 nm波段的聚焦性能,证明了消色差光刻胶超构表面复合透镜优异的消色差效果。相对传统的消色差超构表面通过相位补偿来消色差的方法,这种消色差设计简单且高效,为特定波段内的消色差成像提供了一定的借鉴意义。     

激光扫描共聚焦光谱成像系统

在激光扫描共聚焦显微成像技术基础上引入了光谱成像技术以便区分生物组织中的不同荧光成分。采用分光棱镜对荧光进行光谱展开,在光谱谱面处设置两个可移动缝片形成出射狭缝,两个步进电机带动安装其上的两个缝片设置系统在整个工作波长（400~700 nm）内的光谱带宽,其最小光谱带宽优于5 nm。用488 nm激光和低压汞灯实际测量了几条谱线对应的狭缝位置并和理论值做了比较,结果显示实际狭缝位置和理论值的差值均小于0.1 mm。在全光谱和50 μm出射狭缝（对应2.5 nm光谱带宽）对老鼠肾脏组织进行了共聚焦光谱成像实验,获得了老鼠肾脏组织中DAPI标定的细胞核图像和Alexa Fluor^®488标定的肾脏小球曲管图像,实现了对老鼠肾脏组织不同成分的区分。实验结果表明：提出的系统能够进行共聚焦光谱成像,扩大了共聚焦显微镜的适用范围。     

推扫式高光谱谱间压缩感知成像与重构

提出一种推扫式谱间压缩采样的高光谱成像系统,用于实现高光谱图像的压缩感知成像,并对该系统成像的重构算法进行了研究。在图像采集阶段,采用棱镜对地面成像行的像素进行谱带分离,然后利用数字微镜器件实现谱带的线性编码,通过柱面透镜完成编码谱带的叠加。压缩采样数据重构时,不像传统的压缩感知重构方法那样直接重构高光谱数据,而是利用线性光谱库混合模型将重构高光谱数据转换成重构丰度系数矩阵,采用交替方向乘子法求解丰度的优化问题,再根据重构的丰度和高光谱库恢复原数据。与标准压缩感知重构算法的对比实验表明,该方法在压缩采样数据为总数据的20%时,重构的平均峰值信噪比比标准压缩感知提高了18dB。所设计的成像系统采样方式简单,可应用于星载或机载的高光谱压缩感知成像。     

谱线弯曲对成像光谱仪辐射信号采集的影响

为了研究谱线弯曲对棱镜色散成像光谱仪光谱辐射信号采集的影响。首先,给出探测器像元采集到的辐射能量的表达式。然后,结合复合棱镜的色散特性,在可见近红外光谱范围（400～1000nm）内,计算当光谱偏离量为0.01d、0.1d和0.5d（d为探测器像元尺寸）时系统采集到的辐射能量与没有谱线弯曲情况下系统采集到的辐射能量的归一化差值,衡量谱线弯曲下系统辐射测量的变化。结果表明：谱线弯曲引起的探测器上的光谱偏离导致系统辐射信号采集发生变化,与没有谱线弯曲的情况相比,采集到的景物辐射信号在大气吸收带的边缘出现明显的偏差,且信号的差值随光谱偏离量的增大而增大,当光谱分辨率提高时,一些较弱的吸收峰附近也会出现明显的信号偏差。对于光谱分辨率平均为10nm的成像光谱仪,谱线弯曲量应控制在0.3nm以内。     

高温构件傅里叶单像素成像系统设计

对于高温下的视觉测量,如何降低高温构件本身发出的辐射以及热气流对图像质量的影响,在航空航天和汽车制造等领域具有重要意义。针对高温下复杂的光学成像环境,本文提出了一种基于单像素成像技术的高温构件图像采集方法,建立了高温构件单像素成像系统,分析了傅里叶单像素成像的工作原理及重建算法,根据高温物体的热辐射特性分析了其对单像素成像的影响及成像光谱范围。最后,对高温环境中的单像素成像进行了验证实验。实验结果表明:仅用30%的采样数据就可以对高温下的目标构件成像,且忽略了高温物体自身辐射光的强干扰。与传统CCD/CMOS的成像及边缘检测对比实验表明,本文的方法获取的图像特征更为清晰。该研究为单像素成像在高温构件工业领域的应用提供了一个潜在的发展方向。     

双臂对称性对压缩传感用于关联成像重构的影响

根据压缩传感理论和关联成像模型,将压缩传感理论应用于关联成像中,实现了传统的双臂关联成像的压缩传感重构。通过仿真实验验证了压缩传感用于关联成像的可行性,以峰值信噪比（PSNR）为衡量指标,分别对压缩传感和传统关联算法的重构图像质量进行了量化。仿真实验表明,压缩传感和关联算法的重构效果均随测量次数的增加而变优,在相同的测量次数下,压缩传感在关联成像中的重构图像的PSNR比传统的关联重构图像高20 dB以上。将压缩传感用于实际双臂关联成像的实验结果表明,压缩传感可以实现双臂关联成像装置的图像重构,但其重构质量很难优于传统关联算法的重构。针对这一实际实验与仿真实验似乎相矛盾的特殊现象,从双臂对称性的角度进行了合理解释,并利用实验中实际的散斑场对该现象进行了验证,最后提出了解决方案。     

用于火星探测的声光可调谐滤波器成像光谱仪

面向火星探测,设计并研制了一种基于声光可调谐滤波器(AOTF)原理的成像光谱仪地面原理样机.该样机由前置光机系统和后置电子学系统组成,光学系统采用消色差远心光路结构,工作波段为550～1 000 nm,光谱分辨率为0.9～4.0 nm.在电子学系统中引入可编程片上系统技术,并设计了新型SpaceWire高速总线接口用于数据传输.样机在实验室定标的基础上,搭载于模拟火星探测器上进行了成像试验.试验结果表明:样机成像质量良好;与ASD光谱仪的一致性对比检验表明,光谱测量准确可靠,两者数据匹配精度超过96％.SpaceWire接口实现了100 Mb/s数据率的稳定传输,满足设计指标25 Mh/s的要求.样机的研制为A)TF成像光谱技术在火星遥感探测领域的应用奠定了技术基础.     

基于同名点间距变换的三维显示参数匹配

传统集成成像系统以重构场景为记录场景的镜像,而当用相机阵列代替透镜阵列获取元素图像时,两种阵列参数的不匹配会破坏上述镜像关系.为了得到相机阵列获取的元素图像经透镜阵列重构后的物像关系,本文提出用同名点间距计算集成成像重构像距的方法.该方法通过获取端场景物距、相机焦距等参数,得到同名点间距,并等效至重构端透镜阵列系统来实现光学参数的匹配.理论计算表明,同名点间距不同,得到的重构像距也不同.对与透镜阵列参数匹配的同名点间距进行变换处理,即可精确再现不同重构像距的景物.最后,通过实验验证了本文所提方法的有效性.     

用于沿海水色探测的机载紫外-可见-近红外高光谱成像仪

本文主要设计一种新型的可用于机载的紫外-可见-近红外高光谱成像系统,从而为沿海水色环境与污染观测提供一种有效的观测仪器。首先,根据探测目标特点确定了仪器系统的性能设计参数,选择了Dyson成像光谱系统来满足系统在宽谱段上的高信噪比和高光学性能;但Dyson成像光谱系统的结构过于紧凑,因此对Dyson成像光谱系统进行了研究,调整了狭缝、像面和光学元件的位置,使它们在轴向和垂直轴向上均具备足够的间隔,并在这种大空气间隔下分析了系统的完善消像差条件。通过光程分析和弯月透镜的加入,使改进型Dyson系统在0.278的数值孔径和320～1 000 nm的宽波段上具备良好的成像结果,全视场全波段MTF值在探测器奈奎斯特频率下(38.5 lp/mm)高于0.5,研制原理样机的光谱分辨率为3.375 nm,满足设计要求。该系统可为沿海水色环境的高光谱观测提供良好的工程应用基础。     

基于折/衍混合的长焦深成像物镜消色差方法

为兼顾成像系统消色差及扩展焦深的特性,提出一种基于折/衍混合的长焦深成像物镜在可见光波段内消色差的方法。通过阐述对数光锥位相结构的特征,讨论长焦深元件的色散特性,并依据折/衍混合消色差原理,确定长焦深成像物镜中折射元件与衍射元件位相函数重新分配的原则;位相重新分配后,衍射元件在承担扩展焦深功能的同时增加了部分消色差光焦度,从而使长焦深元件获得消色差特性。理论和仿真分析表明：位相函数重新分配后得到的长焦深元件在中心波长λd(587nm)时的轴向光强分布与原长焦深元件一致,而在波长为λF(486nm)、λc(656nm)时的轴向光强分布区域重合,即在保留焦深扩展特性的同时有效的校正了其在可见光波段内的初级色差。     

多光谱3D成像方法

已有3D成像方法难以实现单目、单帧图像条件下同时获取场景图像及深度信息,也不能兼具时间效率高、体积紧凑、能耗低等优点。为此,创新地提出多光谱3D成像方法,通过具有纵向色散的光学成像镜头与快照式多光谱图像传感器两部分构成图像采集系统,使用离焦深度还原算法获取深度信息。其基本原理为:首先,增强纵向色差光学镜头使得同一物点在不同光谱波段图像上的成像离焦程度不同;其次,快照式窄带多光谱图像传感器单帧曝光同时获取多幅窄带光谱图像;再通过离焦深度还原算法根据多光谱图像边缘梯度获取3D信息。实验采用纵向色散增强型光学成像系统及快照式多光谱相机捕获450±10 nm、525±10 nm、620±10 nm 3通道光谱图像,对5 m内场景进行3D深度恢复,获得了深度误差不高于5 cm的测量结果。实验结果表明多光谱3D视觉方法可以实现单目、所提单帧图像的深度估计。该方法能同时获得视觉及深度信息且无需空间位置配准及预先深度刻度,单帧图像处理平均耗时0. 186 s,图像采集系统尺寸为120 mm×77 mm×65 mm,其工作功率约为10 W,兼具时间效率高、体积紧凑、能耗低等优点。因此,所提方法有望在无人驾驶及智能机器人等领域获得广泛应用。     

用于大气遥感探测的临边成像光谱仪

分析了大气临边成像光谱探测的原理,依据应用要求设计研制了光栅色散型紫外/可见临边成像光谱仪原理样机。该样机采用宽波段折射式消色差前置望远光学系统与改进的Czerny-Turner光谱成像系统匹配的结构形式,工作波段为540～800nm(一级光谱)和270～400nm(二级光谱),通过切换紫外、可见带通滤光片来实现两个波段分别探测,质量为8kg,体积为450mm×250mm×200mm。用该样机进行了实验室光谱实验,并对光谱分辨率进行了分析,测量了该样机的实际光谱分辨率。测量结果表明,该样机的实际光谱分辨率为1.3nm,接近其理论光谱分辨率1.12nm,满足设计指标1.4nm的要求,并具有体积小、质量轻等特点,适合空间遥感应用。     

基于折/衍混合原理的长焦深成像物镜消色差方法

为兼顾成像系统消色差及扩展焦深的特性,提出了一种基于折/衍混合原理的长焦深成像物镜在可见光波段内消色差的方法.通过阐述对数光锥位相结构的特征,讨论了长焦深元件的色散特性,并依据折/衍混合消色差原理,确定长焦深成像物镜中折射元件与衍射元件位相函数重新分配的原则;位相重新分配后,衍射元件在承担扩展焦深功能的同时增加了部分消色差光焦度,从而使长焦深元件获得消色差特性.理论和仿真分析表明,位相函数重新分配后得到的长焦深元件在中心波长λd(587 nm)时的轴向光强分布与原长焦深元件一致,而在波长为λF(486 nm)、λc(656 nm)时的轴向光强分布区域重合,即在保留焦深扩展特性的同时,有效地校正了其在可见光波段内的初级色差.     

近红外天文仪器的复消色差透镜

本文探讨的选择玻璃的赫伯格方法适用于近红外（NIR）波段的复消色差设计。此方法可避免复杂的代数计算，简化玻璃的选择过程。可从部分色散与V数关系曲线图上直接选择双合和三合透镜玻璃组合，本文还给出近红外双合和三合透镜的良好组合。设计样例表明此方法是实用而有效的。