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.     

医用显微成像光谱仪的光谱定标技术

为了能对自主研制的脑肿瘤手术医用显微成像光谱仪进行光谱定标,设计了由单色仪、钨灯光源、棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪及手术显微平台组成的光谱定标系统。采用单色仪波长扫描法,自主开发了相应的光谱定标系统软件,获得了显微成像光谱仪全谱段的光谱数据,完成了数据处理和分析等工作。通过调整光路、单色仪定标、成像光谱仪定标3个步骤实现了系统的光谱定标。定标结果表明:显微成像光谱仪的光谱区大于400~900nm;定标精度高于0.1nm,光谱分辨率高于3nm,各项特征指标均高于设计指标。测试验证实验表明,所建立的光谱定标系统定标精准,结构简单、紧凑,操作简单,符合显微成像光谱仪的实际临床应用要求。     

凸面光栅成像光谱仪的研制与应用

考虑传统光栅成像光谱仪受光学畸变的限制难以同时实现大光学孔径和小型化要求,利用全息法设计并制作了凸面光栅,并以该凸面光栅作为核心元件研制了便携式成像光谱仪。该光谱仪以推扫方式进行目标扫描,获取成像光谱数据立方。仪器的光谱分辨率为2.4 nm,光谱谱线弯曲为0.1%,色畸变为0.6%,体积为209 mm×199 mm×110 mm。介绍了仪器的工作原理和结构设计,并进行了实验室检测和室外花卉实际光谱测量。测试结果表明:凸面光栅成像光谱仪的光谱分辨率为2.1 nm,光谱谱线弯曲为0.09%,色畸变为0.6%,均满足设计要求,实际花卉光谱测试亦取得了较为理想的结果。     

单色仪与成像光谱仪的交互光谱定标

为了提高成像光谱仪的光谱定标精度,降低定标过程的复杂度,本文基于单色仪扫描定标法的原理,提出了交互光谱定标的思想,设计了适用于单色仪与成像光谱仪的交互光谱定标系统。分别对单色仪与成像光谱仪进行了光谱定标实验,并对定标数据进行了处理分析。结果显示:单色仪光谱定标精度优于±0.1nm;成像光谱仪的光谱区大于400~800nm,光谱分辨率优于3nm。该交互光谱定标系统避免了对单色仪和成像光谱仪分别定标需要两个探测器的弊端,定标过程中只需切换定标模式,简化了定标过程,能够同时保证单色仪与成像光谱仪的定标精度,具有复杂度低、通用性强、适用范围广及较高的定标精度等优点,可满足实际使用要求。     

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。     

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。     

宽谱段空间外差干涉光谱仪

研究了基于中阶梯光栅多级衍射特性实现谱段展宽的宽谱段空间外差干涉光谱仪的基础理论和系统设计方法。阐述了宽谱段空间外差干涉光谱仪的特点,分析了仪器性能指标(光谱分辨率、光谱范围、视场、信噪比、衍射级次等)与初始光学和电子学参数(光栅、视场棱镜、成像系统、探测器等)之间的理论关系。然后,设计并搭建了宽谱段空间外差干涉光谱仪实验平台,该系统的理论光谱分辨率为0.173cm-1@16 950cm-1,光谱区为500~700nm。最后,给出了激光(543.5nm、632.8nm)、Na灯(589nm、589.6nm)、Hg灯(576.96nm、579.07nm)光源的宽谱段实验结果,其复原光谱的平均波数采样间隔为0.17cm-1;光谱复原过程中采用三角切趾函数,平均光谱分辨率为0.39cm-1。实验结果与理论设计符合良好,且复原谱各级次之间的对应关系与光栅方程确定的理论关系完全符合。     

空间外差光谱仪系统设计

围绕空间外差光谱仪系统参数设计进行了理论分析和实验研究。介绍了空间外差光谱仪系统的基本结构和原理,并针对其光学系统设计,详述了系统的主要指标:光谱分辨率极限、分辨能力、光谱范围与关键光学器件:光栅、探测器、成像系统等参数的匹配关系。给出了一个完整的系统参数设计实例,并根据光学系统参数对干涉图进行了理论仿真。以搭台的方式建立空间外差光谱仪原理试验装置,并进行了典型光谱实验验证,系统检测结果表明光谱分辨能力在591 nm达到了17 700,光谱范围为574~591 nm。实验结果与仿真结果比较还表明,系统的光谱范围、光谱分辨率等指标达到了设计要求,验证了设计方法的可行性。     

成像光谱仪工程权衡优化设计的光学结构

对应用需求、卫星可提供资源和技术能力等方面进行综合工程技术权衡,提出了总体优化的光学结构设计方案。设计了在0.4~2.5 μm工作,焦距为800 mm,焦比为4.5,视场为1.43°的非球面三反射镜望远镜和棱镜色散非球面准直-成像光学结构的新型成像光谱仪,其调制传递函数(MTF)达到0.44~0.62,光谱分辨率为3~23 nm,仪器的总重量约为70 kg。在焦平面器件性能和信噪比等技术指标相同的情况下,如果用光栅或干涉式傅里叶变换光谱仪,则需要FN在3以下,仪器的总重量将＞100 kg。取得了成像光谱仪分辨率高、积分时间短,焦平面器件接受的辐射能量弱等参数条件下的权衡优化设计。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

A white light confocal microscope for spectrally resolved multidimensional imaging

Spectrofluorometric imaging microscopy is demonstrated in a confocal microscope using a supercontinuum laser as an excitation source and a custom‐built prism spectrometer for detection. This microscope system provides confocal imaging with spectrally resolved fluorescence excitation and detection from 450 to 700 nm. The supercontinuum laser provides a broad spectrum light source and is coupled with an acousto‐optic tunable filter to provide continuously tunable fluorescence excitation with a 1‐nm bandwidth. Eight different excitation wavelengths can be simultaneously selected. The prism spectrometer provides spectrally resolved detection with sensitivity comparable to a standard confocal system. This new microscope system enables optimal access to a multitude of fluorophores and provides fluorescence excitation and emission spectra for each location in a 3D confocal image. The speed of the spectral scans is suitable for spectrofluorometric imaging of live cells. Effects of chromatic aberration are modest and do not significantly limit the spatial resolution of the confocal measurements.     

Spatial and spectral performance of a chromotomosynthetic hyperspectral imaging system

The spatial and spectral resolutions achievable by a prototype rotating prism chromotomosynthetic imaging (CTI) system operating in the visible spectrum are described. The instrument creates hyperspectral imagery by collecting a set of 2D images with each spectrally projected at a different rotation angle of the prism. Mathematical reconstruction techniques that have been well tested in the field of medical physics are used to reconstruct the data to produce the 3D hyperspectral image. The instrument operates with a 100 mm focusing lens in the spectral range of 400-900 nm with a field of view of 71.6 mrad and angular resolution of 0.8-1.6 μrad. The spectral resolution is 0.6 nm at the shortest wavelengths, degrading to over 10 nm at the longest wavelengths. Measurements using a point-like target show that performance is limited by chromatic aberration. The system model is slightly inaccurate due to poor estimation of detector spatial resolution, this is corrected based on results improving model performance. As with traditional dispersion technology, calibration of the transformed wavelength axis is required, though with this technology calibration improves both spectral and spatial resolution. While this prototype does not operate at high speeds, components exist which will allow for CTI systems to generate hyperspectral video imagery at rates greater than 100 Hz.