基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪

为了满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求,提出并设计了一种基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪。基于几何像差理论,推导出了像散校正条件,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1/2.5,波段为350~1 000 nm的平面光栅光谱仪光学系统。利用自己编制的Matlab程序计算了初始结构参数,然后利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱仪的光学系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析。结果表明,在整个工作波段（350~1 000 nm）内,点列图半径均方根值小于8.2 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,满足了设计指标要求。所提出的基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪在高光谱遥感领域很有应用前景。     

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。     

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。     

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.     

机载海洋改进型Dyson高光谱成像仪的研制

针对海洋环境、海洋水色等领域的发展需要,设计了一种适于机载的宽视场、大相对孔径的改进型Dyson光谱成像系统。根据海洋环境污染的光学特性,利用不同目标反照率值估算目标信号的信噪比,将高光谱成像仪的工作波段扩宽至紫外波段;使用大像元尺寸的探测器、大相对孔径的成像系统来满足对海洋目标弱信号的识别,同时通过降低积分时间来避免近海岸沙滩信号过强引起的探测器饱和。该光谱仪的工作波段为0.32~1.05μm、相对孔径为f/1.8、像元尺寸为24μm×24μm,通过加入弯月形的矫正镜避免了狭缝、探测器、滤光片和单透镜相互之间产生干涉。设计结果表明,整个光学系统各波长的传递函数均大于0.83,谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元尺寸的4%。所设计成像光谱仪系统适用于海洋环境污染,尤其是海洋溢油污染的监测。     

全海深大视场超高清光学系统设计

为满足我国深海成像设备需求,针对水下光学像差特点完成了全海深大视场光学成像系统设计。根据深海系统使用环境,对光学参数与结构形式进行了分析与探讨;采用常用玻璃及球面透镜设计,完成了小型化低成本高性能的光学设计实例;通过控制光线角度来提高光学系统能量利用率。选用YAG透明陶瓷为抗压窗口材料,通过有限元力学分析仿真获得形变与抗压阈值。通过ANSYS软件分析窗口与支撑结构,设计满足全海深11 000m使用环境(120 MPa)要求。光学系统的工作波段为410～630nm,视场角达80°,相对孔径为1/2.8,全视场MTF0.3(@91lp/mm)。该系统成像质量及光学窗口抗压性均满足深海成像科考需求。     

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。     

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.     

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。     

低波数高分辨率微型光栅光谱仪的设计

为了满足光栅型光谱仪高分辨率、小型化以及宽谱段的需求,设计了一种基于Czerny-Turner（C-T）型光路结构的拉曼光谱仪。通过Zemax光学设计软件对聚焦镜、准直镜、柱面镜、CCD的倾角和间距进行了自动优化,并设置合理操作数来消除系统的球差和彗差,利用柱面镜来消除系统像散。所设计的拉曼光谱仪波段范围在80～ 3 200 cm^-1,运用了Zemax操作数平衡光谱仪分辨率、工作波段和体积三个重要指标。设计结果表明,该仪器在785 nm波长激发下,全波段光谱分辨率优于3 cm^-1,光学结构体积为70 mm×80 mm×25 mm。     

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...     

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。     

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。     

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。     

激光等离子体X射线能谱诊断

为了诊断激光装置聚爆靶辐射等离子体内部的分布及运动过程,搭建了基于球面弯曲晶体的能谱成像系统。该系统的核心元件为弯曲半径为200mm的石英球面弯曲晶体(1011),利用晶体的晶格结构进行反射,利用弯曲表面实现聚焦。在中国工程物理研究院神光Ⅲ原型激光装置上利用该能谱成像系统首次进行X射线能谱成像实验。IP成像板得到了清晰的高Z元素Au等离子体X射线能谱。能谱信息分析显示,石英球面弯曲晶体得到的能谱分辨率约为1 380,与能谱分辨模型理论值的误差为3.9%。该结果表明石英球面弯曲晶体具有很好能谱分辨能力。     

Three-dimensional spectral imaging by Hadamard transform spectroscopy in a programmable array microscope

We report the acquisition and deconvolution of three-dimensional spectrally resolved images in a programmable array microscope implementing a Hadamard transform fluorescence spectroscopy system with adjustable spectral resolution. A stack of 16 two-dimensional spectral images was collected at 400 nm intervals along the optical axis. The specimen consisted of a polytene chromosome spread from Drosophila melanogaster doubly labelled for the Polyhomeotic protein by indirect immunofluorescence labelling with Alexa594 and for DNA with YOYO-1. The resulting four-dimensional data set consisted of the xyz spatial dimensions (898 × 255 × 16) with a 26-point spectrum at each spatial location. The total exposure time to the sample was 34 min. The system requires the acquisition of multiple images, and thus works best with fluorophores that are resistant to photobleaching. Image deconvolution reduced the amount of out-of-focus blur by up to a factor of 8, resulting in a dramatic improvement in the visualization of the chromosome backbone and localization of the specific Polyhomeotic domains.     

用于激光共聚焦显微镜的光谱扫描机构

随着生物医学技术的发展,组织样本经常被多种荧光标记物标记,需要通过光谱成像的方法区分出样本中不同的成分。本文在共聚焦显微镜基础上,介绍了一种由精密丝杠和步进电机控制的狭缝机构实现光谱成像的方法,讨论了狭缝缝片的具体设计和狭缝运动精度对光谱带宽和波长准确度的影响。     

Novel lambda FRET spectral confocal microscopy imaging method

We report a highly specific, sensitive, and robust method for analyzing fluorescence resonance energy transfer (FRET) based on spectral laser scanning confocal microscopy imaging. The lambda FRET (lambdaFRET) algorithm comprises imaging of a FRET sample at multiple emission wavelengths rendering a FRET spectrum, which is separated into its donor and acceptor components to obtain a pixel-based calculation of FRET efficiency. The method uses a novel off-line precalibration procedure for spectral bleed-through correction based on the acquisition of reference reflection images, which simplifies the method and reduces variability. LambdaFRET method was validated using structurally characterized FRET standards with variable linker lengths and stoichiometries designed for this purpose. LambdaFRET performed better than other well-established methods, such as acceptor photobleaching and sensitized emission-based methods, in terms of specificity, reproducibility, and sensitivity to distance variations. Moreover, lambdaFRET analysis was unaffected by high fluorochrome spectral overlap and cellular autofluorescence. The lambdaFRET method demonstrated outstanding performance in intra- and intermolecular FRET analysis in both fixed and live cell imaging studies.     

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。