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。     

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。     

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。     

高光谱成像仪AISA+应用试验

航空遥感具有机动灵活、覆盖范围广、空间分辨率高等特点;而高光谱遥感具有极高的光谱分辨率,在可见光范围内可分布高达两百多个波段,包含有大量的信息,在海洋应用上具有极大的潜力.2005年,航空高光谱遥感器AISA+已在国家海洋局海监飞机上安装试用,在海洋遥感方面表现出了巨大的应用前景.在已有的AISA+数据基础上,进行了海面悬浮泥沙浓度遥感反演,取得了有一定显示度的数据.     

星载超光谱成像仪摆镜系统轴系的误差分析与设计

摆镜系统轴系的精度会影响星载超光谱成像仪的成像质量。轴系设计时采用了向心推力球轴承来调整轴系的装配误差。分析了摆镜系统工作时影响轴系精度的几个误差源,包括零件的尺寸误差、同轴度误差、配合误差等,按照误差理论设计并计算了各误差值,得到轴系的径向晃动误差和角运动误差。对加工好的轴系进行精度检测,实验结果符合理论结果,验证了该摆镜系统的轴系结构设计的合理性和可靠性,为该类航天运动部件的轴系结构设计提供了参考依据。     

空间光谱成像仪热设计参数的灵敏度

针对空间光学遥感器在轨运行期间其热物理属性的实际参数与热设计参数之间存在一定的偏差,从而影响整机热设计的问题,本文基于系统灵敏度理论,对空间光学遥感器的热设计进行了分析,并建立了在轨条件下的热平衡方程组.通过分析热平衡方程组的设计变量,总结出影响整机温度分布的热设计参数.以某空间光谱成像仪热设计为例,分析了上述影响整机温度分布的设计参数的灵敏度.灵敏度分析结果表明:整机平均温度对太阳吸收系数的灵敏度几乎为零;对红外半球发射率的灵敏度为2.2～14.55℃;对内部热源的灵敏度为1.8～2℃/W;对导热率的灵敏度为2.25×10-3～4.39×10-2 m℃2/W:对接触导热系数的灵敏度为0～1.1×10-3 m2℃2/W.试验验证结果表明,基于灵敏度分析结果的热控设计方案有效且可行.     

改进的宽谱段车尔尼-特纳光谱成像系统设计

针对传统的车尔尼-特纳光谱仪像散较大的缺点,基于像差理论,提出了一种改进的车尔尼-特纳光谱成像系统.将平面光栅置于发散光中,利用平面光栅产生的像散来补偿物镜产生的像散.推导出了宽谱段像散同时校正条件,实现了宽谱段像散的同时校正.具体分析了像差校正的原理和方法,编制了初始结构快速计算程序.作为实例,设计了一个谱段为540～780 nm的宽谱段像散同时校正车尔尼-特纳光谱成像系统,利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱成像系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行了分析.结果表明,全视场调制传递函数在整个工作波段均达到0.52以上,实现了宽谱段像散的同时校正,并获得了良好的成像质量,满足了设计指标要求,结果也证实了所提出的改进方法是可行的.     

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。     

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。     

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...     

插入Féry棱镜的小型Offner超光谱成像系统的设计

为了减小超光谱成像系统的质量和体积,校正光谱成像的谱线弯曲,提出了一种新型带有Féry曲面棱镜的Offner超光谱成像系统。在该系统中,一对Féry曲面棱镜位于Offner中继系统的两臂,光束两次通过Féry棱镜进行分光,因此当获得指定大小的色散值时该结构具有比传统结构更小的质量和体积。为了减小可见近红外(VNIR)光谱通道的非线性色散,在该结构中还引入一对消色差火石Féry棱镜。设计了应用于VNIR和短波红外(SWIR)两个光谱通道的超光谱成像系统,并给出了设计结果。结果表明,该光谱成像系统在两个光谱通道内的谱线弯曲均小于0.1个像元,色畸变均<0.045个像元,而非线性度小于0.1,可满足机载或星载超光谱成像仪的要求。     

光谱成像仪CCD组件的热分析及验证

光谱成像仪是集多光学通道和多探测器于一身的复杂的空间光学遥感器,其成像器件CCD热设计的好坏直接关系成像的质量.本文根据CCD组件具有体积小、发热量高、升温速度快等特点,提出了CCD组件的热设计原则,解决了热设计中的关键问题,给出了相应的热设计方案.按照CCD器件的导热路径,通过简化的热阻分析模型,计算得出了CCD器件的沿程总热阻为1.291 ℃/W.应用IDEAS-TMG对此组件进行了仿真分析,分析显示其达到了热控设计的指标要求.最后对热设计方案进行了试验验证,结果表明,热设计中采用的热控方法有效控制了CCD组件工作过程中的温度过高及温升速率过快的缺点,其升温速率为0.6 ℃/min,两次试验中最高温度分别为33.6 ℃和26.2 ℃.     

轻小型高分辨率星载高光谱成像光谱仪

在小型化成像光谱仪的研制和应用中,如何同时实现轻量化、高地面分辨率和高信噪比是目前亟待突破的技术难题.本文通过将线性渐变滤光片分光技术和数字域时间延迟积分技术相结合,并对镜头进行紧凑化处理,设计了一款工作波段为403～988 nm、平均光谱分辨率为8.9 nm、系统总质量为7 kg的轻小型星载高光谱成像光谱仪.仿真和实...     

Determination and mapping of measurement and design coordinate systems using computational geometric techniques

Automotive industry is one of the most prospective manufacturing industries in the present world. In order to keep up with the challenges of competitors, the automobile industries are taking necessary steps to satisfy the customers by supplying products of good quality at lower cost. The machine vision inspection systems play an important role in quality control with their accurate dimensional measurement capability. The data obtained from these systems have to be analyzed using appropriate algorithms. In the present work, algorithms based on computational geometric techniques have been developed, to set up the coordinate system for the data obtained from the laser vision system for subframe and lower arm assembly of automobile front chassis module. The concept of a convex hull and a modified Voronoi diagram are utilized for establishing the coordinate system for measurement data. The design coordinate system is determined using the Voronoi diagrams. The measurement and design coordinate systems are mapped using 3D transformations. The results obtained for the sample data are also presented in this paper.     

凸面光栅Offner结构成像光谱仪的傅里叶分析

用傅里叶光学对凸面光栅Offner结构成像光谱仪的光学系统进行了分析;给出了当探测器的接收面放在负一级光谱像平面上时的光强分布公式,建立了探测器接收面上的光强分布与地面目标的空间信息及光谱信息之间的一一对应关系。在此基础上可以对目标进行直接分析。     

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。     

光谱成像仪CCD组件的稳态/瞬态热分析与验证

针对光谱成像仪CCD器件温度过高产生的热噪声和暗电流会导致成像质量下降,对CCD组件进行了稳态/瞬态热分析。采用有限元数值分析方法,建立了CCD组件传热的数值模型。根据CCD组件的结构特点和导热路径,应用有限元热分析软件IDEAS-TMG建立了有限元热分析模型,在给定温度边界条件下对CCD组件进行了稳态和瞬态仿真分析。给出了CCD组件的热响应性能、组件中关键部件的稳态温度分布云图以及随时间变化的瞬态温度曲线。稳态分析结果表明,CCD器件工作过程中的平均温度水平为27.1℃;瞬态分析结果表明CCD器件在工作时的升温速率为2.5℃/min,最高温度为37.8℃。验证试验结果与数值分析结果吻合较好,验证了数值分析的正确性和温度预示的有效性。稳态试验过程中CCD器件的温度为26.8℃,瞬态试验过程中温升速率为2.4℃/min。所获得的稳态和瞬态分析结果能够满足热控指标要求,为提高CCD组件的可靠性和热设计优化提供了理论依据。