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。     

13.5nm Schwarzschild显微镜系统及成像实验

研制了工作波长为13.5 nm的Schwarzschild成像显微镜.从共轴两镜系统的基本理论出发,通过消除三级球差、彗差和像散设计了Schwarzschild物镜的光学初始结构,计算了物镜的光学传递函数.结果表明,物镜在士0.3 mm视场内像方空间分辨率可达550 lp/mm.根据工作波长和镜面的入射角度设计了Mo/...     

监测区域性流速分布的激光散斑成像系统

建立了一套激光散斑成像系统 ,对该成像系统的性能参数进行了分析 ,并利用该系统对区域性的流速分布进行监测 ,结果表明 ,该系统能在不需扫描的情况下对区域性的流速分布进行有效监测 ,具有较高的时间分辨率 (2 5 m s)和空间分辨率(取决于系统的放大倍数 ,可达几个 μm) ,对较慢的速度变化敏感。该系统为监测区域性流速分布提供了一种高时—空分辨率的实时动态手段     

同心多尺度成像模式下的高分辨子成像系统设计

以同心多尺度成像模式为基础,结合人眼视网膜凹成像思想,提出了一种宽视场与双分辨率成像组合的新型同心多尺度成像系统,在广域视场范围内实现了对关注的感兴趣目标区域的高分辨动态注视。介绍了同心多尺度双分辨率成像系统的工作方式;使用一个单透镜和一个双胶合透镜为初始结构,结合二轴微机电系统(MEMS)扫描微镜组合形成光路;利用ZEMAX光学设计软件,优化设计了成像波段为0.486~0.656μm,在单个分通道视场内(30°)可对关注的小视场区域(6°)高分辨注视跟踪的子成像系统。对成像系统的像质以及点列图、调制传递函数(MTF)曲线、场曲、畸变曲线进行了评价。结果表明设计的子成像系统在全视场内成像均匀,接近衍射极限,场曲和畸变较小,最大场曲不超过0.6mm,最大畸变小于1.5%,能够满足同心多尺度双分辨率成像系统对子成像系统性能的要求。     

一种表面结构多尺度融合测量系统

提出了一种表面结构多尺度融合测量系统,该系统将显微图像测量、垂直扫描白光干涉测量、白光干涉纳米探针测量和白光干涉金刚石探针测量等多种不同尺度的表面结构测量方法融合在一起。实验结果表明,显微图像测量对300μm标准玻璃线纹尺的示值误差为-0.251μm,标准偏差为0.4013μm;白光干涉测量对1.26μm和3.33μm单刻线样板的测量平均值分别为1.263μm 和3.328μm,示值误差分别为0.003μm和 -0.002μm,示值相对变化量为1.27%和0.63%;白光干涉纳米探针对高度为（106.8±1.0）nm的校准光栅测量平均值为103.1nm,相对示值误差为-3.5%;白光干涉金刚石探针测量对Ra=4.08μm样板的测量值为4.05μm,测得值的相对误差为0.74％。所提出的测量系统满足表面结构的多尺度融合测量要求。     

一种新型非接触式三维弹头痕迹检测系统

本文介绍了一种新研制的非接触式三维弹头痕迹检测系统的原理、结构、控制以及实验结果。该系统垂直分辨率为0.01μm,测量范围±300μm,圆分辨率50″,轴向分辨率为1.25μm,可以完整地获取弹头发射痕迹的真实形貌。     

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。     

共聚焦激光扫描显微系统光学设计

为了实现非接触式、快速高精度的光学检测,设计了一种共聚焦激光扫描显微光学系统。在保证设计指标的前提下,简化了各光组的结构,采用7片球面透镜并以K9玻璃作为透镜材料。使用Zemax软件对光学系统进行了设计和仿真。结果表明:物镜的数值孔径为0.49;系统的径向和轴向光学分辨率分别为0.400μm和0.772μm;显微聚焦系统聚焦弥散斑直径小于2μm;照明系统聚焦弥散斑直径小于10μm;探测系统的聚焦光斑直径小于20μm;根据仿真结果确定了针孔1和针孔2的尺寸均为20μm,且厚度不超过0.1mm;各子系统的MTF曲线均接近衍射极限,具有很高的光学传输效率。     

运动补偿成像光谱仪的地面分辨率

针对用运动补偿增加成像光谱仪能量积分时间的情况,推导出了其地面分辨率和望远系统焦距选择的一般表达式.运动补偿成像光谱仪地面分辨率与指向反射镜转角成反比关系,转角大时地面分辨率低,反之亦然.给定成像光谱仪探测器像元尺寸为20μm,飞行轨道高度为600 km,光线摆角≤30,以星下点、最大摆角和整个运动补偿段地面分辨率中值为30 m为依据来计算望远系统的焦距,求得望远系统焦距为400、470、435 mm,并给出了此时的地面分辨率相对比值与光线摆角的关系曲线.对于积分时间一定的情况,推导出指向反射镜的反扫角速度公式.结果表明:指向反射镜反扫角速度是卫星运动速度、飞行轨道高度、对目标进行凝视测量时光线的提前摆角、飞行时间及地球半径的函数,改变指向反射镜反扫的角速度,可使积分时间增大N倍.     

无线控制式原子力显微镜系统

提出了一种基于嵌入式系统和WiFi无线控制的接触模式原子力显微镜(AFM)系统。该AFM系统直接由迷你型移动电源给扫描与反馈电路及嵌入式系统等供电;嵌入式系统由微型电脑树莓派和微小型ADDA模块构成,通过WiFi与笔记本电脑实现无线数据通信。利用这一方法,成功研发了无线控制式AFM系统,并开展了微纳米样品的扫描成像实验。实验结果表明,该AFM系统的横向分辨率达到纳米量级,纵向分辨率达到0.1nm,最大扫描范围为3.6μm×3.6μm。该系统的显著特点是无需交流市电供电,无需直流高压电源,也无需与计算机之间的线缆连接,可在约100m远处通过无线控制的方式实现AFM的扫描成像。这一新型AFM系统,不仅能够在微纳米技术的常规领域得到应用,而且在野外考察、隔离环境、真空条件、气体氛围环境及星际探测等特殊领域具有广阔的应用前景。     

A new confocal scanning beam laser MACROscope using a telecentric,f-theta laser scan lens

A new confocal scanning beam system (MACROscope) that images very large-area specimens is described. The MACROscope uses a telecentric, f-theta laser scan lens as an objective lens to image specimens as large as 7·5 cm × 7·5 cm in 5 s. The lateral resolution of the MACROscope is 5 μm and the axial resolution is 200 μm. When combined with a confocal microscope, a new hybrid imaging system is produced that uses the advantages of small-area, high-speed, high-resolution microscopy (0·2 μm lateral and 0·4 μm axial resolution) with the large-area, high-speed, good-resolution imaging of the MACROscope. The advantages of the microscope/MACROscope are illustrated in applications which include reflected-light confocal images of biological specimens, DNA sequencing gels, latent fingerprints and photoluminescence imaging of porous silicon.     

Seeing atoms with aberration-corrected sub-Angström electron microscopy

High-resolution electron microscopy is able to provide atomic-level characterization of many materials in low-index orientations. To achieve the same level of characterization in more complex orientations requires that instrumental resolution be improved to values corresponding to the sub-Ångström separations of atom positions projected into these orientations. Sub-Ångström resolution in the high-resolution transmission electron microscope has been achieved in the last few years by software aberration correction, electron holography, and hardware aberration correction; the so-called “one-Ångström barrier” has been left behind. Aberration correction of the objective lens currently allows atomic-resolution imaging at the sub-0.8 Å level and is advancing towards resolutions in the deep sub-Ångström range (near 0.5 Å). At current resolution levels, images with sub-Rayleigh resolution require calibration in order to pinpoint atom positions correctly. As resolution levels approach the “sizes” of atoms, the atoms themselves will produce a limit to resolution, no matter how much the instrumental resolution is improved. By arranging imaging conditions suitably, each atom peak in the image can be narrower, so atoms are imaged smaller and may be resolved at finer separations.     

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...     

惯性约束聚变靶丸高精度X射线数字成像

为了实现惯性约束聚变(ICF)靶丸几何尺寸的高精度、高效率检测,开展了靶丸X射线数字化成像系统的设计与研制。首先,分析了X射线直接投影成像和X射线透镜耦合显微成像的适用范围,根据ICF靶丸尺寸小、吸收衬度弱的特点,确定了基于X射线透镜耦合显微成像的技术路线。然后,分析了影响系统成像分辨率、图像衬度和测量效率的关键因素,确定了低几何放大成像,低电压、小焦点、高功率X射线源及高分辨CCD探测的总体技术方案,该方案能够有效抑制相衬效应和半影误差,解决了现有X射线数字成像设备测量靶丸时边缘扩展严重、尺寸测量误差大的问题。最后,对系统的性能进行了分析测试,实验结果表明,系统成像衬度良好,成像效率较高,分辨率优于0.5μm。靶丸几何尺寸的测量不确定度可达0.9μm(k=2),满足ICF靶丸几何尺寸高精度、高效率的检测需求。     

基于半盲解卷积复原的高分辨率视网膜成像系统

为获得高分辨率视网膜图像,建立了基于自适应光学的视网膜成像系统,并以成像时获得的残余像差作为图像复原的估计参数,通过半盲解卷积进行图像复原以获得高质量图像.通过Hartmann-Shark波前传感器和微机械薄膜变形镜组成的自适应光学系统对活体人眼像差进行测量与校正,并在成像时记录系统残余像差,据此重建光学传递函数作为图像复原模型初始参数估计,对获得的视网膜图像进行条件约束迭代半盲解卷积复原,消除像差对成像质量的影响,从而得到高分辨率视网膜图像.实验表明,系统获得的图像经该方法处理后可获得较满意视网膜图像,图像质量提高近一倍,成像成功率由38％提高至78％,成像时间缩短为原来的1/7.该方法在满足使用要求的前提下有效缩短了校正时间,提高了成像的成功率,提升了系统的适用范围.     

胶片生产中在线观察系统的设计

为实现对胶片上微小杂质的在线观察,通过对微光像增强器和镜头进行选配并设计相关机械结构从而研制了一套胶片在线观察仪器。该仪器在线观察分辨力高、工作距离范围大且观察视场较大。其对杂质的观察分辨力可达12.5 lp/mm,可清晰成像的物距范围为200mm~300mm,观察视场大于50mm。仪器的核心部分是微光成像系统,重点围绕该成像系统的设计思路和步骤展开了全面讨论。     

激光聚变冲击波被动式测速光学系统设计

针对激光聚变装置冲击波速度被动测量的需求,设计了一种测速光学系统。采用高紫外透过率的氟化玻璃,实现了透射式300～800nm复消色差设计。系统光路具有前后两组镜头,中间为平行光,镜头间距可变,光路适应能力强。系统前端两侧的双目机器视觉能够完成自动寻的。平行光路中设置5个激光器,轴上的1个前向照明靶点用来观察条纹相机狭缝处的目标像质,轴外的4个与光轴平行后向传输用来标识系统光轴的位置,激光器部件可电动切入/切出。系统前组镜头F/#数为4,宽谱工作物方分辨率优于10μm,532nm单波长工作物方分辨优于5μm。该光学系统光路排布灵活,可单独被动测速,也可与主动测速系统VISAR耦合构成主被一体复合测速系统,满足激光聚变装置冲击波测速的需求。