红外光纤传像系统像质优化方法研究

红外光纤传像系统在红外探测领域具有重要的学术价值和广阔的应用前景。文中采用理论分析与实验验证相结合的方法,对其像质优化问题进行研究。基于系统工作原理和特点,建立了其调制传递函数的理论模型,分析了影响其像质的主要因素。结果表明:为保证系统成像质量,前置物镜及后继耦接镜在系统Nyquist频率处的MTF值应大于0.8,且耦接镜所成光纤像与探测器像元的对准偏差应小于0.5像元。为进一步分析光纤传像束自身缺陷对像质影响,特搭建了成像实验装置,对两种不同规格光纤传像束推扫成像结果对比发现:通过使用合适后继耦接镜、多层光纤TDI模式成像、传像束前后端镀增透膜、准确的均匀性校正处理等方法,可有效改善系统的成像质量。以上研究为该类系统的研制提供了必要的技术储备。     

改进的最大后验概率估计法实现单幅图像超分辨率重建

从图像降质模型出发,研究运用最大后验概率(MAP)估计法实现图像超分辨率重建。简单介绍了MAP方法的发展现状,并分析了该算法中存在的缺陷,即目标函数的吉布斯(Gibbs)项对于重建图像的噪声抑制力不均衡。针对该缺陷采用原始低分辨率图像插值后图像的梯度场对MAP目标函数的Gibbs项系数进行修正,使该系数对各像素根据相应梯度值自适应的调整,在一定程度上均衡了目标函数对于不同梯度值区域的约束力。采用共轭梯度法对改进前后MAP算法分别求解并进行了仿真。结果显示相比传统MAP算法,改进的MAP算法得到的超分辨率图像,既很好地恢复了细节,又很好地抑制了重建过程中引入的噪声,总体像质有了明显提高,同时在迭代求解过程中也表现出很好的收敛性与稳定性。     

Offner型成像光谱仪前置光学系统设计

针对Offner 型成像光谱仪结构特点,总结了其前置望远系统的选型及设计原则;介绍了一种大视场、长焦距、像方远心离轴三反光学系统的设计方法;利用该方法优化设计了一款焦距800 mm,视场达8.60.148,工作波段0.9~5 m 的星载Offner 型成像光谱仪的前置望远光学系统。对其性能分析表明,在Nyquist 频率16.7 lp/mm 处,各谱段的调制传递函数值均在0.65 以上,接近衍射极限,完全满足成像质量要求。同时证明了该设计方法可行,所设计系统结构紧凑,较易加工,适于空间遥感用Offner 型成像光谱仪。     

柔性硫系玻璃红外光纤传像束的制备与性能测试

讨论了红外光纤传像束的学术意义和制备工艺,制备了一种硫系玻璃红外光纤传像束并进行了专门的性能测试。选用As40S58Se2、As40S60作为芯棒和皮管玻璃组分,采用管棒法拉制成纤,利用人机结合的排丝工艺制备出了单丝直径为50μm,纤芯直径为40μm,576元正方形排列的红外光纤传像束。搭建了相应的实验测试平台,对光纤束排列规则度、断丝率、光学效率及传像束引起系统调制传递函数(MTF)下降量等指标进行了测试。测试表明,传像束断丝率为2.7%,衰减损耗低于0.5dB/m,光学效率约为31%,在红外光纤传像系统中光纤传像束引起的MTF下降量小于10%。最后,利用研制的红外传像束完成了红外成像实验,结果表明,红外光纤传像束能够实现良好的红外成像。     

基于补偿法的均匀照明自由曲面LED反光杯设计

根据面向理想光源的设计原理,提出了基于能量补偿和坐标迭代的自由曲面母线求解方法。在二维坐标系中建立系统模型,由反光杯反射光对直射投射光进行补偿,将反光杯右上边缘的光线反射到目标面左边缘,且随着光线下移反射光线逼近目标中心。根据Snell定律,以上边缘点为初始点,逐一迭代得母线上各点坐标,旋转或拉伸生成所求反光杯。在Tracepro软件中的模拟结果表明对圆形或正方形目标照度均匀性均优于85%,且系统能量利用率仅由LED出光角度和反光杯反射系数决定,该结构可使LED光源用于大范围照明。     

Design of the microlens arrays coupling with imaging fiber bundle

To ameliorate the disadvantages of imaging system coupled with imaging fiber bundle, a method by adding square aperture microlens arrays at both entrance and exit ends of the imaging fiber bundle is proposed to increase the system’s coupling efficiency. The expressions for solving the parameters of both ends’ microlens units are deducted particularly. The microlens arrays used for an infrared imaging fiber bundle with the single fiber diameter of 100 μm and core diameter of 70 μm are designed by this method. The simulation results show that compared with the system without microlens arrays, the fill factor of the imaging fiber bundle coupled microlens arrays system is increased from 44.4% to more than 90%, and the coupling efficiency is doubled too. So the design method is correct, and the introduction of microlens arrays into imaging fiber bundle coupled system is feasible and superior.     

利用光纤传像束的内窥镜物镜设计

光纤传像束用于内窥镜时,对内窥镜物镜的结构型式和成像质量提出了新的要求。在分析了其基本设计原则后,根据实际需求,选用反远距型物镜作为初始结构,利用Zemax软件优化设计了一个工作波段0.38~0.78 m,焦距0.921 mm,全视场100、相对孔径1/4的内窥镜物镜。镜头总长10.32 mm,满足像方远心要求,在38 lp/mm频率处MTF值在0.85以上,像质优良;同时,在Tracepro软件中建立了所设计物镜与光纤传像束结合后系统的模型,模拟的系统耦合效率约为96%且出射端照度均匀。结果表明:该物镜具有视场大、短焦距、结构合理、耦合效率高、像面照度均匀等特点,满足内窥镜要求。     

宽谱段消像散Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

针对光谱仪小型化、高分辨率的发展趋势,设计了一种结构简单、宽谱段、消像散的小型光谱仪。具体分析了折叠光路Czerny-Turner光谱仪各种像差的原理和校正方法。推导了柱透镜宽谱段消像散的理论方程。作为实例,设计了一款谱段为300～900nm、物方数值孔径0.08的小型光谱仪。该光谱仪采用折叠光路结构以减小尺寸,添加柱透镜以消除整个谱段的像散。结果表明:该光谱仪结构简单紧凑,体积小,实现了宽谱段的消像散,全谱段光谱分辨率优于0.5nm。     

长波红外硫系玻璃光纤束制备与大面阵成像性能研究(特邀)

长波红外光纤传像束在军事、医疗以及环境监测等领域有着重要应用。当前，长波红外光纤高的光学损耗制约了红外光纤传像束的性能和应用。为了制备低损耗长波红外光纤，选择As-SeTe硫系玻璃组分，首先对As、Se、Te高纯原料进行了提纯工艺研究，原料表面氧杂质含量分别由1.3 at%、0.46 at%、0.48 at%降至0 at%(未检出)、0.06 at%、0.15 at%，除氧效果显著。以As-Se-Te玻璃为基质组分，对比研究了制备工艺对玻璃红外透过谱段的影响，采用Al作为除氧剂结合蒸馏提纯工艺，制备出热学性能优异、长波红外谱段良好的红外硫系玻璃。采用棒管法拉制出丝径100μm的光纤，弯曲半径小于5 mm，在长波红外波段损耗基线约为0.2 dB/m。采用叠片法制备出像元2.25万，单丝呈紧密排列的光纤传像束，断丝率小于3‰，传像束有效区域透过均匀，无黑丝、暗丝，对红外目标成像清晰，无明显畸变，综合成像质量良好。     

低损耗As-S玻璃光纤的制备与应用研究

采用反复蒸馏提纯技术和开放式动态蒸馏相结合的工艺, 制备了高纯As-S玻璃, 基本消除了玻璃在2.9、4和6.3 μm处的杂质吸收。利用旋转法制备出壁厚均匀、表面质量优异的硫系玻璃套管。采用棒管法拉制出丝径50 μm, 芯径40 μm具有芯包结构的硫系玻璃光纤。拉制的As-S光纤机械性能和光学性能优异, 光纤丝径波动小于1%, 弯曲半径优于4 mm, 中红外波段损耗基线小于0.5 dB/m。制备出像元呈正方形排列, 出端规格64×9, 入端规格192×3, 用于线-面转换的红外传像束, 像束断丝率为2.7%。利用该异型传像束成功实现了长线阵的红外推扫成像。