分孔径中波红外多光谱成像光学系统的设计

为了同时获得目标的红外图像信息和光谱信息,设计了一种分孔径中波红外分波段成像光学系统。该系统可将位于成像器前方不同波段的目标红外场景通过分孔径方式成像到红外制冷型探测器的4个区域上。该系统通过内部分孔径的办法,在不同通道内放置滤光片的方式,实现在一个探测器上对3.5 μm~4.1 μm、4.4 μm~5 μm、3.5 μm~5 μm、4.4 μm不同波段的目标同时成像。该系统F数为1.93,单通道的焦距为60 mm,MTF接近衍射极限,同时实现了在-40℃~+60℃的无热化需求,可以满足应用和指标需求。     

微光偏振成像系统设计及实验

为了实现对运动目标或变化场景的同时成像,根据偏振成像原理,基于孔径分割技术设计了一套微光偏振成像系统.开展了微光偏振成像实验,在实验室条件下定性分析了偏振成像的优势,研究了不同照度下偏振成像的准确度.通过改变偏振出射光束的照度,运用获得的偏振图像计算了该照度下光束的偏振度和偏振角.与真实偏振度、偏振角信息对比分析表明,当环境照度大于10-2 lx时,偏振成像能够比较准确地还原场景的偏振信息,改善微光成像质量.经过优化,该系统MTF在56lp/mm处所有视场下均不小于35%.     

水下仿生偏振成像光学系统设计

在水的光学特性影响下,为了对水下目标进行实时探测,通过研究螳螂虾视觉偏振成像原理,仿照其独特的复眼结构,充分利用分振幅和基于孔径分割技术,设计了一种新型的水下实时偏振成像系统。采用四通道阵列结构和双通道阵列相结合,用圆偏振技术和线偏振技术对水下目标进行实时成像。通过Zemax软件实现该系统设计,系统焦距为35 mm,F数为4,工作波长为可见光波段486 nm~656 nm,半视场角为±2.5°。设计结果表明:MTF>0.7(@60 lp/mm), 系统弥散斑 < 9 μm, 畸变小于0.5%,可满足成像要求。     

基于微光像增强器的偏振成像系统设计与实验

为验证用微光像增强器实现偏振成像的可行性,根据偏振成像原理,设计了基于分时型偏振成像技术的微光偏振检偏器。选用三代像增强器和高动态范围数字CCD,设计了相应大口径成像物镜和中继光学耦合透镜,获得了高透过率、高调制函数（MTF）的图像耦合性能。采用数字CCD、数字图像采集卡,编写了相应图像处理软件,实现了实验室和野外微光条件下的人造目标和自然景物的偏振探测成像。结果表明,原始图像中目标与背景对比度之比为1.35,基于微光像增强器的偏振成像系统的目标与背景对比度之比为2.35,微光偏振成像能够提高夜间环境下人造目标和自然背景的对比度。     

双通道红外准直投影光学系统设计

介绍了一种双通道准直投影光学系统的设计。重点讨论了光学系统参数的分配以及利用Zemax光学设计软件多重结构功能进行优化的方法, 并利用蒙特卡罗分析对系统的公差进行了分析。光学系统采用望远系统和成像系统组合，在望远系统和成像系统之间的平行光路中插入分束镜引入第2个目标源通道。光学系统工作波段8 μm~12 μm, 视场12°，焦距228.3 mm，入瞳距800 mm，目标通道1和目标通道2的最大角分辨率分别为0.18 mrad和0.17 mrad，满足了投影系统的设计要求。     

分孔径红外偏振成像仪光学系统设计

为了在复杂及伪装的红外背景中识别出小温差目标,本文提出了一种基于分孔径的偏振成像系统结构,并对分孔径偏振成像系统所采用的分孔径成像系统及中继成像系统进行了设计研究。首先,根据Stokes矢量介绍了系统的工作理论和光学结构;其次,在现有探测器的结构参数要求下,计算出了光学系统的偏心量等参数,选择硅、锗作为透镜材料。在此基础上,确定了分孔径成像系统结构和中继成像系统结构。接着使用离轴偏心多重结构设计方法对初始结构进行了优化,研究了将普通红外物镜转变为具有实入瞳的像方远心结构的方法;最后,完成了分孔径成像系统和中继成像系统的整体系统匹配。设计结果表明,整体系统的调制传递函数在探测器奈奎斯特频率为17 lp/mm处大于0.6,能够满足系统的设计要求。本文设计的结构可以对探测目标实现实时偏振成像,且具有结构紧凑的优点。     

固态微光实时偏振成像集成技术

高性能的微光夜视探测是光电探测未来的发展方向。本文针对在微弱光照射情况下,因为感光度不足而使得获得的偏振图像存在较大误差的问题,提出了一种固态微光实时偏振成像集成技术。通过引入白光通道和4个偏振方向的8个偏振通道,可在电子倍增CCD(EMCCD)微光器件上实现偏振和微光探测的集成。经试验验证,该技术获取的偏振信息准确度较高,且无偏振单元,使得器件的最低工作照度不被降低,器件同时具备微光-偏振探测功能,除可大幅提高探测器件对目标的探测识别能力外,还具有加工难度低、成本低等优点。     

基于双高斯的紧凑型偏振光谱成像方法设计与研究

对目标进行更多属性信息的获取，是光学传感器不断追求的目标。偏振属性探测和传统光谱成像技术相结合的偏振光谱成像技术具有分辨“异物同谱”、实现“目标凸显”、“动态调节”、“耀斑抑制”的能力，蕴藏非常重要的应用潜力。目前的偏振光谱成像系统存在诸多的缺点，如结构复杂、体积大、通道串扰、多维信息提取繁琐等问题。针对上述问题，提出一种基于线性渐变滤光片(LVF)和像素化偏振调制的紧凑型偏振光谱成像方法。涉及关键技术有：基于高光谱分辨率需求与短焦距约束，采用双高斯结构作为初始光学结构，并通过参数设计进行光学系统的仿真与实现；采用LVF作为分光元件，进行参数设计与验证，与像素化偏振调制探测器在像面上进行耦合，实现光谱信息与偏振信息同步获取。基于上述技术路线进行了样机集成，在实验室暗室对系统样机进行光学指标测试，最终指标为：工作波段：430～880 nm,空间分辨率：0.22 mrad,光谱分辨率为：10 nm,四偏振态同步获取，系统传递函数：0.547,偏振探测精度：89.4%,光机系统总尺寸：45 mm×45 mm×80 mm。在室外进行推扫实验，成像效果良好，中心波长不同偏振态下的单色图有较明显的...     

非共轴四通道偏振成像方法研究

针对当前偏振成像方法的实时性不好、能量利用率低以及分辨率不高等问题，提出了一种非共轴四通道偏振成像方法。该方法通过4个通道采集不同偏振方向的图像来融合计算偏振度图像。数值仿真分析了影响系统偏振成像结果的通道间距、通道平行度和偏振片检偏角度误差，得出了满足偏振成像精度达到1%的系统参数容限。在实验研究方面，研制出了非共轴四通道的偏振成像系统，并对室外距离约为50 m的车辆进行了实验。实验证明了该系统可以有效地对目标进行偏振成像。     

双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像系统设计

为了实现对动态目标场景的偏振成像,设计了双分离渥拉斯顿棱镜同时偏振成像系统。该系统将分振幅与分孔径相结合,在两个探测器上同时获得四幅偏振分量图像,实现动态场景的偏振成像。在简述系统设计原理的基础上,重点介绍系统光学系统、核心器件以及系统光机结构的设计,并分析系统的偏振成像实验。实验结果表明:系统偏振分光性能较好,四幅8 bit偏振消光图像的残留灰度均在15以下;外触发信号同步控制透射和反射光路,系统最高帧频可达90 Hz,在帧频为25 Hz时同步采集了动态场景的偏振图像,并分析了场景的偏振度和偏振方位角信息,实现了动态场景的偏振成像;系统能够对最近成像距离以外的任意距离的目标清晰成像,系统分辨率达到76.9 cyc/mrad。     

紧凑型8～12 μm波段折/衍混合双位置两档变焦光学系统设计

设计了工作于8～12 μm波段的折/衍混合双位置两档变焦光学系统.该系统变焦过程中相对孔径保持不变,F/#为1.7,系统变倍比为3.75∶1.大视场角为19.2°,有效焦距33 mm,用于在大范围内搜索目标；小视场角为5.1°,有效焦距125 mm,用于对目标进行具体分析.系统采用锗和硒化锌两种材料,为四片镜结构,仅通过两片透镜的轴向移动便可完成两个视场的切换.系统中引入二元面和高次非球面,使系统结构简化,并极大地提高了成像质量.该系统适用于像元尺寸20 μm的非致冷式面阵探测器,可广泛应用于军事扫描成像和红外前视系统中.     

微光景像匹配实时图模拟生成技术研究

景像匹配实时图模拟生成是导弹制导系统仿真和景像匹配算法验证的关键技术。研究了光照条件、气象条件、像增强型电荷耦合器(ICCD)相机特性以及地面光谱反射特性等因素对微光成像的影响,建立了微光视景像生成的数学模型,包括:地面反射特性模型、像增强型电荷耦合器相机特性模型、大气传输模型和噪声模型,研究了白天与夜间地面反射特性造成的日光图像与微光图像的衬比度差异,提出了微光景像匹配实时图仿真方案,并在此基础上研制了一个完整的蕴含LOWTRAN7计算内核和像增强型电荷耦合器后段仿真的微光景像匹配实时图生成系统。仿真实验结果说明了该方案的有效性。     

超高分辨光学相干层析成像技术与材料检测应用

本文报道了一种超高分辨率谱域光学相干层析成像(SD-OCT)系统. 该系统基于超连续谱激光光源并截取部分光谱作为宽带光源, 其中心波长为665 nm, 光谱半高全宽(FWHM) 230 nm. 系统轴向分辨率0.9 μm, 轴向扫描速率28600行/秒, 横向分辨率3.9 μm, 横向视场1 mm, 最大成像深度0.6 mm(空气中). 利用研制的超高分辨率SD-OCT系统, 对不同型号的工业砂纸精细结构进行了成像, 并与普通SD-OCT的成像结果进行对比, 充分展示了研制系统在材料无损检测中优势.     

高分辨率长焦广角低畸变光学成像系统设计

鉴于全视角高精度三维测量仪中现有光学成像系统无法同时满足大视角、高分辨率和低畸变等技术指标,为此设计了一种能够同时克服上述缺陷的光学成像和畸变校正系统。采用复杂化双高斯结构形式进行f-θ镜头设计,引入非球面提高系统成像质量。实验结果表明,设计的光学系统为长焦广角低畸变高分辨率光学系统,在环境温度-10 ℃~70 ℃下,视场角达到90°,畸变小于-0.001 67%,传递函数达到0.4@100 lp/mm,可实现工作距离3 m~100 m成像清晰。同时,光学系统中非球面镜片的面型精度会对成像质量产生很大的影响,根据公差分析,非球面的面型精度PV值小于0.17 μm时系统成像质量满足要求,实际加工过程中非球面面型PV值达到0.158 μm,传递函数达到设计指标要求,提高了系统的成像质量。     

Fast voice-coil scanning optical-resolution photoacoustic microscopy

We developed a photoacoustic imaging system that has real-time imaging capability with optical resolution. The imaging system is capable of scanning at 20 Hz over a 9 mm range and up to 40 Hz over a 1 mm scanning range. A focused laser beam provides a lateral resolution of 3.4 μm as measured in an optically nonscattering medium. Flows of micrometer-sized carbon particles or whole blood in a silicone tube and individual red blood cells (RBCs) in mouse ear capillaries were also imaged in real time, demonstrating the capability to image highly dynamic processes in vivo at a micrometer-scale resolution.     

基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计

为满足航天应用中仪器小型和轻量化、大视场的观测要求,通过分析现有Offner成像光谱仪,给出了一种简单的采用凸面光栅设计成像光谱仪的方法。并据此方法设计了一应用于400 km高度,波段范围为0.4~1 μm,焦距为720 mm,F数为5,全视场大小为4.3°的分视场成像光谱仪系统。分视场采用光纤将望远系统的细长像面连接到光谱仪的三个不同狭缝而实现。三狭缝光谱面共用一个像元数为1 024×1 024,像元大小18 μm×18 μm的CCD探测器。通过ZEMAX软件优化和公差分析后,系统在28 lp·mm-1处MTF优于0.62,光谱分辨率优于5 nm,地面分辨率小于10 m,能很好的满足大视场应用要求,该光学系统刈幅宽度相当于国内已研制成功的同类最好仪器的三倍。     

像增强器MTF测量理想像面选择方法研究

为了能够获得准确的调制传递函数测量结果,对测量系统中投射图像的理想成像面进行选择性调节。通过对微光像增强器调制传递函数测量系统光学成像性质的深入分析,讨论了光学系统的像差特性,利用平均中点取值法实现了微光像增强器调制传递函数测量中对理想成像面的选择。通过与微光像增强器已有测量结果的对比,证明所述方法能够保证微光像增强器调制传递函数测量的准确性。     

折反式微光夜视物镜的光学设计

介绍一种长焦距、大相对孔径微光夜视物镜的光学设计。设计参数为焦距100 mm,相对孔径1/1.4,视场10。为增大视距,减小物镜尺寸和质量,并且满足在宽光谱范围消色差的要求,选择均为球面的折反式物镜结构,在相同焦距和相对孔径的条件下折反式系统比折射系统尺寸更小,质量更轻。在设计过程中引入曼金反射镜,增加设计自由度。经优化设计达到较好的成像质量,空间频率在50 lp/mm时,轴上传递函数大于0.4,轴外传递函数大于0.2,与像增强器极限分辨率相匹配,全视场畸变小于2 %,物镜总长达到67 mm。