Fabrication and evaluation of a near-infrared hyperspectral imaging system

This paper describes modifications to a hyperspectral imaging microscope that extend its capabilities into the near-infrared (950–1300 nm). The major changes include installing a grating, charge-coupled device camera, and lenses and filters appropriate for infrared wavelengths. Calibration of the system and validation with lead sulfide quantum dots of known emission wavelength is reported. Cells from the breast carcinoma cell line SkBr3 were scanned with lead sulfide quantum dots that emit at 1100 nm as the background and an image which contains the integrated spectral data is presented. We also demonstrate that this instrument is capable of detecting the photoluminescence spectra of single-walled carbon nanotubes dispersed in aqueous solution.     

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.     

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。     

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.     

大相对孔径宽波段Dyson光谱成像系统

提出了一种改进型Dyson光谱成像系统,以克服传统Dyson光谱成像系统焦平面探测器安置困难的缺点.首先,基于折射球面罗兰圆理论,提出了这种改进型Dyson光谱成像系统的光学设计方法.然后,利用MATLAB软件编制了初始结构参数快速计算程序.作为实例,设计了一个相对孔径为1/2,波段为200～1 000 nm的Dyson光谱成像系统.利用自己编制的MATLAB程序计算了初始结构参数,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,并对设计结果进行分析.分析结果表明,在整个工作波段(200～1 000 nm)内,点列图半径均方根值小于4.2 μm,实现了大相对孔径宽波段像散同时校正,在宽波段内同时获得了良好的成像质量,满足设计指标要求.得到的结果验证了所提出的光学设计方法是可行的.     

新型X光成像系统及其性能分析

本文设计了新型的X光成像系统，它的核心部件X光影像增强器是一个混合型器件。该成像系统具有数字化、大视野成像和可移动的优点，成像视野在6-15英寸连续可调。在文中，对这种新型成像系统的成像性能进行了定量的评价，并给出了系统所成的图像。结果表明新型X光成像系统的性价比高，可以广泛应用在机场安检、工业探伤、无损检测等领域。     

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。     

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...     

Microscopic spectral imaging using a video camera

A technique is described which permits the simultaneous acquisition of multiple fluorescent emission and/or absorption spectra from discrete regions of a specimen under microscopic observation. The instrument consists of a modified inverted microscope, an optical diffraction grating, a silicon intensified target (SIT) camera, and a digital video image processor. Observation of the zero diffraction order of the grating with the SIT camera permits an optical slice of the specimen to be selected by positioning the region of interest over the entrance slit of the grating housing. To obtain the spectral characteristics of this optical slice, the grating is rotated to impinge the first order diffraction on the camera. The video image of this first order diffraction maintains spatial integrity along the slit's long axis and provides spectral dispersion on the perpendicular axis. Thus, each of the horizontal video lines along the long axis of the slit represents a spectral analysis of the corresponding spatial location within the specimen. The spectral resolution (0.2 nm/channel) of each video line is determined by the resolution of the camera system in conjunction with the resolution of the grating. The image processing system acquires and processes all 500 spectra in 33 ms and permits the accurate localization of the source of each spectrum in the slice. This type of topological spectral analysis permits the determination of both spatial and spectral characteristics of intrinsic or extrinsic chromophores within the specimen. In addition, this technique permits the detection of and the possible correction for photobleaching, light scattering and image plane effects. The application of this technique to the study of single cells is discussed and an example of the technique in determining the fluorescence spectra of acridine orange within the nucleus of an intact mammalian blastocyst is described.     

基于薄膜干涉分光技术的便携式多光谱成像系统

基于薄膜干涉分光技术开发了多光谱图像采集分析系统样机,样机由分光滤光片、CCD相机、逻辑控制组件和计算机终端软件等组成,并在农产品检测、成分检测等方面开展了多光谱检测技术的实验研究。实验表明,多光谱成像系统能够进行高分辨率的光谱图像采集,并进行光谱重建和聚类等分析。在农产品检验中利用多光谱成像技术能够将霉变的黄豆与优质黄豆进行快速区分;在电解液浓度和成分检验中能够将不同浓度或不同成分的液体进行识别;在笔墨检验中能够将不同油墨的笔迹进行准确有效地判别。     

碳卫星高光谱CO_2探测仪发射前光谱定标

为了完成碳卫星高光谱CO_2探测仪的发射前光谱定标,建立了光谱定标系统,并对定标系统设计、所采用的自动化数据采集和数据处理算法等进行了研究。根据CO_2探测仪的探测原理介绍了载荷的光谱性能要求,描述了定标系统的设计与所采用的仪器设备,说明了采用自动化数据采集、旋转积分球、功率校正与暗背景校正等改进的定标方法。最后,介绍了光谱定标的数据处理方法。发射前定标结果表明:载荷三个波段的ILS能量集中度分别大于0.80,0.81和0.78;FWHM分别为0.039 2~0.042 4nm,0.123~0.128nm和0.157~0.168nm;光谱采样率区间分别为2.12~2.95、1.97~2.27和1.92~2.26。对发射后实测太阳夫朗禾费光谱进行了评估,结果表明:中心波长偏差小于0.0013,0.058和0.065nm。CO_2探测仪整体的光谱性能指标能够达到系统设计要求。     

高光谱图像的分布式压缩感知成像与重构

根据高光谱数据的特点,提出了一种基于像元的分布式压缩采样模型来实现高光谱图像的有效压缩采样与重构。搭建了能实现该模型的压缩采样光谱成像系统,并研究了用于该系统成像的重构算法。在图像采集阶段,将高光谱数据分为参考像元和压缩感知像元;地面像元的辐射能通过棱镜进行谱带分离,再利用数字微镜器件实现谱带的线性编码。对压缩感知像元进行低采样率的线性编码,对参考像元进行采样率为1的线性编码。压缩采样数据重构时,不再采用传统方法直接重构高光谱数据,而是利用线性混合模型将重构高光谱数据转换成端元提取和丰度估计,然后根据重构的端元和丰度恢复原数据。对比实验表明,在压缩采样数据为总数据的20%时,重构的平均信噪比提高了10dB。所设计的成像系统应用压缩感知理论减少了采集的数据量,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。     

马铃薯晚疫病害的高光谱图像空谱对比研究

为了快速检测马铃薯晚疫病,采用高光谱成像技术对马铃薯晚疫病的空谱信息进行对比研究以得到最佳判别手段。使用高光谱相机采集病害侵染0～6 d的高光谱图像,同时选取第6 d典型晚疫病病害的高光谱数据作为研究对象。采用二阶导数结合主成分分析和二次主成分分析分别从光谱和空间两个方面进行特征提取,之后基于特征波段反射率和主成分图像灰度值建立K最近邻分类算法、BP神经网络、决策树算法3种识别模型对不同时期病害进行识别。实验结果表明:基于二次主成分图像的灰度值结合BP神经网络建立的模型对马铃薯晚疫病的识别具有良好的成效,其识别率达96.6%。利用主成分图像灰度值建立的3种模型既减少了波段的冗余又提高了识别率,为研究和开发实时在线检测仪器提供了参考。     

Development,quantitative performance and applications of a parallel electron energy-loss spectrum imaging system

The development of a parallel electron energy-loss spectrum imaging system is presented. The analytical performance of the imaging technique was investigated and the system applied to materials science problems. The system, which allows acquisition and storage of a parallel electron energy-loss spectrum at each pixel of an image, was developed by interfacing a multichannel analyser and a microscope to a computer workstation. In the experimental conditions used for imaging, detection limits and quantification errors were large and varied as a function of spatial resolution and the range of chemical elements of interest in the image. Applications of this imaging technique in materials science showed that quantitative chemical information is provided by the system and that the use of relative thickness maps and detailed statistical analysis of the spectrum-image allowed an unbiased interpretation of the images. As energy-loss spectra are available after processing, spectroscopic information about the analysed material can be used to provide supplementary information.     

基于滤光轮双相机系统的高光谱分辨率成像

滤光轮光谱成像系统在光谱成像领域应用广泛,空间分辨率高,但是光谱分辨率较低。针对这一问题,提出了基于滤光轮双相机系统的高光谱分辨率成像,设计了一种基于插分补偿的多光谱计算重构方法,实现系统的高光谱分辨率、高空间分辨率成像。首先利用滤光轮双相机成像系统采集多光谱图像以及RGB图像,然后从多光谱图像获取离散的光谱响应曲线,最后根据RGB三通道数据与光谱高维数据之间的映射关系以及能量守恒定理,进行光谱响应曲线的插分补偿并实现高光谱分辨率成像。实验结果表明,本文方法能够在保持空间分辨率的情况下,高效地实现光谱分辨率为5 nm甚至更高光谱分辨率的成像,重建结果与真实值的均方根误差为0.017 1,具有较好的准确性和鲁棒性。     

基于信息散度特征的高光谱影像识别技术

高光谱遥感将确定地物性质的光谱与确定地物空间和几何特性的图像有机地结合在一起.从空间对地观测的角度来说,高光谱遥感信息无论对地物理化特性的深层探索,还是对地物间微小差异的精细识别,以及对自然界的知识发现,都为人类提供了前所未有的丰富信息.其高光谱图像立方体图谱合一的特点,要求人们从光谱维去理解地物在空间维的变化,对二维空间图像的处理与分析需要转化成对每个像元所提取出的光谱曲线的处理与分析.本文提出了一种基于光谱信息散度的高光谱匹配识别算法,并对PHI数据进行了实验分析,验证了算法的有效性.     

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.     

近红外光谱成像分析技术的应用进展

近红外光谱成像是近年来快速发展起来的一种新的分析手段,尤其在化学成分分析和污染物的空间分布测定方面,近红外图像技术具有实现快速、无损、原位、在线分析的特点。通过近红外图像不但能够得到生物组织和化学成分的清晰轮廓和分布信息,而且可以通过化学计量学方法实现对特定目标成分的定性和定量分析。本文简要介绍近红外光谱成像技术的原理、应用和发展特点,图像光谱的前处理方法,图像提取所需化学特征信息的化学计量学算法,以及近红外成像分析技术在医药领域,农业和食品等领域最新的应用和研究进展。     

光谱成像技术进展

光谱成像技术不仅具有空间分辨能力,而且还具有光谱分辨能力。本文从图像技术和光谱分析两个不同方面论述光谱成像技术出现和发展的必然性,明确光谱成像的定义,丰富光谱成像的内涵,而且从光谱分辨率、探测器工作方式和色散元件类型等不同方面对光谱成像技术进行分类介绍,并着重结合遥感、精细农业、生物医学等领域阐述光谱成像技术的应用。     

Spatial and spectral calibration of an acousto-optical spectrometer

The problem of determining the optical spectra at separate points of images that are recorded with an endoscopic acousto-optical spectrometer is considered. The factors that cause distortions in images and spectra are investigated. Algorithms for calibration of this type of instruments and digital data correction for the sequential elimination of distortions of various types are developed. In a model experiment, it is shown that the proposed algorithm provides a quite high quality of determining spectra at arbitrary points of the field of vision.