分幅变像管动态空间分辨率的标定

为了提高激光惯性约束聚变实验二维成像诊断的精密化程度, 提出了分幅变像管动态空间分辨率的标定方法. 标定原理是以直边函数为物, 经光学系统成像后求解系统的调制传递函数, 从而获得系统的空间分辨率. 在神光Ⅱ装置上利用八路激光打靶产生1-3.5 keV能区的连续X 射线标定源, 照射高Z刀边材料, 并成像到分幅变像管阴极上, 分幅变像管采用脉冲选通工作模式获得动态像. 对分幅变像管采集的动态图像进行处理得到系统的调制传递函数. 根据调制传递函数为0.1时对应的空间截止频率, 得到系统的空间分辨率为20 lp/mm. 根据分幅变像管的动态空间分辨理论, 计算系统的极限空间分辨率为22.8 lp/mm. 标定结果略低于极限空间分辨率, 与理论基本吻合. 根据传统标定方法得到该分幅变像管的静态空间分辨率为22 lp/mm, 比动态空间分辨率略高. 在二维成像诊断时, 分幅变像管工作于动态选通模式, 故动态空间分辨率的标定结果更能真实地反映其成像诊断能力.     

矩形靶标测试CCD相机调制传递函数的研究

利用矩形靶标测量CCD相机的整机调制传递函数时,由于靶标与CCD像元之间存在初始角度误差与初始位置误差,实验测得的调制传递函数小于CCD相机实际调制传递函数。根据调制传递函数的定义,模拟CCD对具有初始角度误差与初始位置误差的矩形靶标成像,推导出了CCD像元的亮度分布公式,从而给出了调制度与初始角度误差和初始位置误差的关系,并分别对具有初始角度差、初始位置差的情况进行分析。最后利用像元间的亮度差推导出计算初始角度误差的理论公式并进行了仿真验证。     

大气湍流对长曝光和短曝光条件下分辨率与像斑半径的影响

基于湍流中调制传递函数的数学模型,从理论上研究了大气相干长度和系统光瞳直径对积分分辨率和像斑半径的影响.采用内插值法,分别给出长曝光和短曝光条件下分辨率和像斑半径的近似代数解.结果表明,在系统光瞳直径小于大气相干长度时,分辨率主要受光瞳直径限制,增大光瞳直径可提高分辨率,然而随着其值的继续增大,对分辨率的改善不再明显,因为当光瞳直径大于大气相干长度时成像性能逐渐由湍流限制.光瞳直径与大气相干长度的比值趋于无穷大时,分辨率和像斑半径受大气相干长度的限制有一个极限值.短曝光条件下,去除了大尺度漩涡所产生的倾斜效应,系统的积分分辨率和像斑半径性能要好于长曝光条件.对于短曝光近场,与长曝光相比,其积分分辨率的最大值提高了3.5倍,像斑半径最小值减小了1/2.     

静止轨道星载差分吸收光谱仪CCD成像系统设计

静止轨道卫星差分吸收光谱仪采用摆扫成像方式对大气进行探测,针对其工作时CCD成像系统信噪比大于1 000、高速探测模式下探测周期小于10min、高分辨率模式下探测周期小于1h的要求,进行CCD成像系统设计.选取CCD47-20作为探测器,设计成像电路实现光谱图像信号的采集和上传.分析了帧叠加和像元合并对时间、空间分辨率的影响.结合帧转移CCD的特点设计了每个位置最后一帧读出时摆镜转动的成像方式,并合理设置了帧叠加数和像元合并数,达到优化成像周期的目的.1s曝光时间条件下,该CCD成像系统的高速、高分辨率模式探测周期分别为515s和3 315s,图像信噪比均大于1 000,污染物观测实验中未出现失帧或重复的现象.该CCD成像系统方案满足静止轨道星载差分吸收光谱仪的探测需求,为静止轨道环境监测仪器设计提供参考.     

全帧型CCD数码相机曝光时间的精确控制

提出一种全帧型CCD数码相机曝光控制方案.在测量机械快门机械延时的基础上,控制CCD触发脉冲TRG和机械快门的控制时序,使得带电子快门的CCD相机,在机械快门的配合下,CCD的感光区都能按各种设计要求的曝光时间精确曝光,从而有效的提高了照片的分辨率.该方法设计简单,不需要额外的硬件电路,可以广泛应用于带机械快门的CCD数码相机曝光时间的精确控制中.     

科学级光学CCD暗电流及机械快门时间响应特性测试

暗电流在科学级电荷耦合器件(CCD)长时间曝光测试实验中是主要的噪声之一。实验测试了暗电流信号平均计数随曝光时间的变化关系,并经过计算得出-10℃和-20℃下暗电流分别为2.43ADU/(s.pixel)和0.4854ADU/(s.pixel),同时测试了暗电流随CCD制冷温度的变化特性,结果显示暗电流随温度类似指数函数形式变化。由于CCD机械快门的时间响应特性对科学级光学CCD的短时曝光计数的影响比较大,实验测试了CCD平均计数和曝光时间的关系,得出实验所用的TEK 512pixel×512pixel DB CCD的机械快门在18ms时能够完全打开。     

针孔单光子发射计算机断层成像的空间分辨率研究

针孔单光子发射计算机断层(SPECT)成像的空间分辨率通常是根据Anger经验公式来进行估算,与实际测量存在较大偏差.本文通过对针孔成像的物理过程进行分析,提出了一个近似度更高的计算公式.利用精确的蒙特卡罗方法模拟针孔SPECT成像,采用OSEM(ordered subsets expectation maximization)算法对投影数据进行图像重建,并与模具实验进行比较,验证了理论公式的适用性.同时还讨论了体素尺寸、几何映射获取投影矩阵以及探测器尺寸与成像物体尺寸比值对断层图像空间分辨率的影响.实验结果显示,该理论公式所估算的空间分辨率比实验值平均偏小约10%,而Anger经验公式所估算的空间分辨率比实验值平均偏大约60%.因此,该理论公式能更好地估算针孔SPECT成像的空间分辨率,可为针孔SPECT系统的设计和使用提供有价值的参考.     

大孔径静态干涉成像光谱仪曝光时间控制技术

为了克服不带电子快门的CCD成像探测器曝光时间无法控制的问题,提出了改变驱动时序的设计方法.在帧频确定的情况下,通过在水平读出之后增加电荷释放状态,将一帧之内多余时间段的电荷迅速排放掉,可以有效地控制CCD曝光时间,并克服CCD最小曝光时间为水平读出时间的问题.实验结果表明,大孔径静态成像光谱仪系统的抗饱和性能得到了很好的改善且此方法的非线性度为4.61%.     

基于CPLD的空间面阵CCD相机驱动时序发生器的设计与硬件实现

在分析e2v公司的CCD47-20 Backthinned NIMO型CCD器件驱动时序关系的基础上, 设计了可调帧频和曝光时间的空间面阵CCD相机驱动时序发生器及其硬件电路.选用可编程逻辑器件作为硬件设计载体,使用VHDL语言对驱动时序发生器进行了硬件描述.针对ALTERA公司的EPM9400LC84-15对设计进行了RTL级仿真及配置,完成了时序发生器的硬件电路.硬件实验结果表明,所研制的驱动时序发生器不仅可以满足空间CCD相机的驱动要求,而且还可以调节帧频和曝光时间.     

基于光照和帧间预测的空间图像曝光控制算法

为了解决空间图像中因曝光控制不理想产生的曝光过度和拖尾问题,提出了一种基于光照变化和灵活块划分的空间图像曝光控制算法。该方法考虑大气吸收对光照辐射衰减的影响,得出了光照强度与CCD相机曝光时间的关系,推导出相应的空间图像成像模型;对前一幅图像进行分块,分别比较当前块和周围相邻块的灰度均值,判断两者是否进行合并,如果灰度均值差大于阈值,则两块不合并,否则合并。根据块合并后的划分程度预测当前图像的曝光时间。实验结果表明,经过对曝光时间的准确控制,拍摄的天文图像的信噪比(SNR)最高能够提高2.49 dB。有效地解决了空间图像中曝光过度和拖尾问题,并实现了曝光时间的自适应调节。     

二元伪随机光栅与台阶校准检测系统传递函数的影响分析

采用高质量的标准位相结构是实现光学干涉检测系统的系统传递函数精确校准及保证光学元件波前/表面中高频段信息准确检测的前提。通过对二元伪随机光栅结构和台阶位相结构两类典型表面进行模拟,分析了空间周期误差及跃变边缘陡度等制造误差对于检测系统传递函数校准的影响,并分析了检测系统CCD对二元伪随机光栅欠采样和过采样时功率谱密度(PSD)的变化。结果表明:存在同等制造误差时,二元伪随机光栅结构比台阶位相结构对检测系统传递函数中高频能够实现更高精度的校准;当对二元伪随机光栅存在欠采样或过采样时,均会造成PSD随频率的下降,可通过对理想二元伪随机光栅的高度分布进行相应的采样修正消除因采样对传递函数校准的影响。     

干涉仪系统传递函数测量及影响因素的分析

波前功率谱密度(PSD)被用于评价惯性约束聚变(ICF)激光驱动器光学元件中频段的波前误差。干涉仪对PSD较高空间频率分量的测量存在失真效应,可通过干涉仪系统传递函数(STF)的检测标定来获得真实的波前PSD分布。采用台阶板位相比较法测得大口径菲索相移干涉仪检测系统在透射和反射检测情形下的传递函数。对传递函数测试算法进行了比较分析,明确了干涉仪系统zoom倍率的改变等因素对传递函数测量的影响,为波前PSD的准确检测奠定了基础。     

大口径干涉仪系统传递函数校准

 波前功率谱密度(PSD)被用于评价ICF激光驱动器光学元件在中频区域的波前误差。目前主要采用大口径相移干涉仪检测ICF光学元件的波前畸变,通过付立叶变换获得波前的PSD分布。相移干涉仪在较高空间频率分量的测量上存在失真效应,因此需对干涉仪的空间频率传递函数进行校准。本文采用位相比较法测量大口径相移干涉仪的系统传递函数。我们采用衍射光学元件的制造工艺,设计、制作了标准的透射和反射位相元件,比较理论计算值与实测PSD值,分别获得了大口径相移干涉仪透射、反射测量模式的系统传递函数。     

基于互信息的干涉成像采样系统性能分析

为了优化干涉采样成像系统的设计,采用端到端的互信息量评价系统的性能.建立了基于互信息的干涉采样成像系统数学模型.利用该模型得到了互信息量最大时光学成像系统和CCD的匹配条件:相干成像光学系统的截止频率等于CCD的Nyquist频率.分析了物体频谱分布、噪声、光源相干性和光学成像系统像差对互信息量的影响.结果表明,它们不影响光学成像系统和CCD的匹配条件.     

波前功率谱密度函数评价方法探讨

 波前功率谱密度PSD（Power Spectral Density）能定量给出波前畸变的空间频率分布、限定波纹度和粗糙度指标，全面反映ICF驱动器对高功率激光光学元件加工质量的特殊要求。给出了波前功率谱密度PSD的定义及计算方法，并使用大口径相移干涉仪作为波前检测仪器，对光学磷酸盐钕玻璃透射波前进行了测试实验，获得波前一维PSD分布，证实功率谱密度为高功率激光光学元件波前参数的一种有效表征方式。同时，还对PSD与均方根RMS之间的关系进行了初步的讨论。     

大口径光学元件波前功率谱密度检测

波前功率谱密度（PSD）被用于评价惯性约束聚变激光驱动器光学元件在中频区域的波前误差。高功率固体激光装置对大口径光学元件波前质量的要求有别于传统光学系统,要求对波前误差进行较高空间频率的测量。探讨了大口径光学元件波前的高空间分辨率检测技术,采用大口径相移干涉仪作为波前检测仪器,通过傅里叶变换获得波前一维功率谱密度分布。对惯性约束聚变激光驱动器的典型光学元件进行了波前功率谱密度的的检测和分析。     

强激光系统波前功率谱密度的数值计算研究

惯性约束聚变(ICF)系统中,影响激光聚焦性能的一个重要指标是波前功率谱密度(PSD),它所对应的空间周期为0.12～33mm。对PSD的数值计算所涉及到的关键技术进行了详细的理论及实验分析研究。通过对中频段的波前位相均方根值的分析表明,波前数据的空域处理采用Quad flip技术较为合适,对频域滤波器的选用需要综合考虑滤波的有效性及波前的失真。通过对二维PSD的分析表明,空域处理采用加窗技术较为合适。该项研究为ICF系统中的PSD指标的确定及检测算法奠定了基础。     

波前编码成像系统景深延拓扩展率的研究

研究三次相位板的波前编码光学系统,发现在一定的条件下系统调制传递函数(MTF)对波前编码系统的离焦不敏感,才能得到波前编码系统的景深.对比传统光学系统的景深,得到波前编码系统的景深延拓扩展率的表达式.分析空间频率取值范围和三次相位板系数α,发现当a=20π时,波前编码系统可以将传统光学系统的景深扩大60倍以上.     

空间频率域的张量ABCD定律

运用张量分析方法把轴对称系统中的空间频率域的柯林斯公式推广到一般的非轴对称光学系统,并推导了在空间频率域中适用于非轴对称光学系统的张量ABCD定律。空间频率域中的柯林斯公式和张量ABCD定律直接给出了像散光束的空间傅里叶频谱的传输规律。它们在处理与空间频谱有关的问题,如空间滤波,成像系统的传递函数,复杂像散高斯光束在自由空间的传输等问题时更为简便。     

加窗后波前功率谱密度的计算值修正

 波前功率谱密度的数值计算会由于窗函数的使用引入较大的计算误差。通过对模拟的单一频率波前加窗前后的功率谱密度的理论计算,由傅里叶变换性质推导出了修正因子,并对波前频率与修正因子的关系进行了理论研究。结果表明,在一定的波前频率及误差范围内,对加汉宁窗后1维功率谱密度的计算结果乘上一个常量8/3即可实现简单有效地修正。