光子集成干涉成像机理和空间频谱覆盖研究

光子集成干涉成像系统具有体积小、质量轻、能耗低、分辨率高的成像特性,有望取代传统大口径望远镜实现远距离探测。研究了光学干涉探测成像原理,建立了空间目标干涉图像复原模型。研究了微透镜阵列排布对成像质量的影响,提出了微透镜阵列设计方法。研究了光学相干基线匹配对空间目标频谱覆盖的影响,提出了能够高效覆盖高、中、低频谱的相干基线匹配方法。最后,比较了不同的微透镜阵列排布和干涉基线匹配方式下目标图像仿真复原效果。结果表明,所提微透镜阵列排布方式和干涉基线匹配方法能够提升空间目标频谱覆盖,提高目标图像复原质量。     

用于曲面集成成像的微透镜数值孔径优化

针对目前集成成像3D显示系统存在视场角范围小以及重构图像分辨率低的问题,设计一种适用于曲面集成成像3D显示且具有不同数值孔径的柔性微透镜阵列结构,并成功搭建基于曲面屏的集成成像3D显示系统。采用Trace Pro光学仿真软件建立曲面集成成像3D显示系统模型,研究微透镜的数值孔径对曲面集成成像3D显示系统重构性能的影响规律。结果表明：当微透镜尺寸和厚度一定时,数值孔径越大,重构图像的质量越好,且视场角越大;当柔性微透镜阵列的数值孔径为0.376时,重构图像具有较高的分辨率,当视场角达到60°时,重构图像依然清晰。为了验证仿真,制备具有不同数值孔径的柔性微透镜阵列并搭建曲面集成成像系统样机,得到的实验结果与仿真结果基本一致。     

Mirau相移干涉法测量微透镜阵列面形

基于Mirau相移干涉法,在实验室环境下对微透镜阵列的微表面形貌进行了轮廓测量.实验使用He-Ne激光器作为光源,干涉成像系统由Mirau干涉物镜和其他光学元件组成.在实验中使用压电陶瓷执行器作为相移器,通过5步相移法计算待测表面形貌.实验结果表明,基于Mirau相移干涉法对微透镜阵列面形的测量,水平分辨率达到1.1 μm,垂直测量准确度达到6.33 nm,垂直测量范围为5 μm.对于微透镜阵列的面形测量,通过将微透镜阵列划分为若干微小区域以保证局部面形最大高度小于5 μm,然后辅以精密平移机构进行若干次5步相移法测量局部面形,再利用相位重建所得的数据进行拼接和3D轮廓重建,最终得到整个微透镜阵列的精确微表面形貌.     

微小型快照式傅里叶变换成像光谱仪的建模与分析

为了实时探测运动场景、迅变目标的图像与光谱,提出了一种微小型快照式傅里叶变换成像光谱仪,利用多级微反射镜对微透镜阵列形成的多重像场进行分布式相位调制,实现了干涉图谱信息的实时获取。根据微透镜阵列与多级微反射镜对光场的相位调制特性,建立了多重干涉成像的理论模型,计算表明,不同视场的干涉像点位于探测平面的不同区域,但大视场情况下相邻通道之间的干涉图像单元会发生串扰,并导致复原光谱失真。分析表明,为了抑制相邻干涉成像通道间发生串扰,视场角应控制在微透镜阵列和多级微反射镜的衍射与离焦效应所限定的极限视场角之内。同时,视场角还会引入相位误差,并导致归一化光谱误差随视场角的增大而单调递增。根据归一化光谱误差关系曲面可以对系统的视场角进行合理的设计,从而实现对目标场景中特定区域的有效探测。     

微透镜阵列动态显示薄膜的设计及制备方法

基于微透镜阵列和微图形阵列的莫尔动态显示技术能够显示具有立体效果的三维图像。介绍了一种集成于高分子薄膜上的微透镜阵列和微图形阵列的设计及制备方法。提出了动态显示的几何模型,采用该模型推导了动态图像周期、方向及动态效果的设计公式,可以实现上浮、下沉、相对移动等动态显示效果的设计。研究了动态图形的非阵列成像模式,得到了可以随视角变化发生消失、浮现的非阵列动态图形。采用光刻及压印的方法进行了动态显示薄膜的制备实验,结果表明动态图像的周期、方向及位移的测量值相对理论值的最大偏差分别为11%、16%和14%。提出的方法能有效地评估动态显示薄膜的性能及制备容差。     

基于光线追踪的实时可交互计算生成集成成像方法

为提高计算生成集成成像实时交互显示性能和灵活性,构建与集成成像再现系统结构一致的集成光场视见模型,通过该模型为单元图像阵列中每个像素生成一条逆向追踪的光线,使用光线追踪技术并行渲染光线为单元图像阵列像素着色.实验结果表明,顶点数为565 880的点云模型、面数为977 308的含纹理网格模型在透镜数为22×13、视点数为175×175的4K显示系统上显示帧率40fps以上,并实现了缩放、移动、旋转、显示微调等交互功能.该方法摆脱了虚拟相机模型,降低了算法复杂度,利于实现实时交互,能够应用于基于不同分布形式透镜阵列的集成成像显示系统.     

基于塑料传像光纤阵列的多孔径高分辨成像技术

为解决传统光纤传像系统中分辨率受传像光纤像素数量制约而导致系统整体分辨率提升困难的问题,提出一种基于塑料传像光纤阵列的多孔径高分辨成像技术,利用传像光纤阵列及图像拼接技术突破像素数难以提升的瓶颈。通过高分辨、小截面的传像光纤组合阵列提升像素,结合微透镜阵列重叠成像的效果,实现光纤阵列成像的完整性,有望使光纤传像系统像素数达到百万数量级。通过建立光纤传像系统性能指标与光学参数之间的关系,仿真设计一款室内监控远心镜头作为传像系统的主镜头,并设计微透镜阵列作为主镜头与传像光纤阵列之间的中继镜头。仿真结果表明,主镜头与微透镜阵列均满足传像光纤性能需求。实验测试结果表明,系统含有40万有效像素,分辨率为40 lp/mm,图像输出完整,该成像系统设计具有良好的可行性,对光纤传像系统的分辨率提升具有重要的实际参考意义。     

多焦距微透镜阵列光场成像火焰三维温度场测量

多焦距微透镜阵列可提高聚焦光场相机的深度分辨率。为了研究多焦距微透镜阵列对光场成像火焰三维温度场测量的影响,本文在火焰辐射光场成像模型的基础上,分析了单焦距微透镜阵列和多焦距微透镜阵列的火焰辐射光场成像特征,计算了两种不同微透镜阵列下的火焰辐射图像,根据火焰光场图像重建了火焰的三维温度场。开展了多焦距微透镜阵列聚焦光场相机火焰三维温度场重建的实验研究,并对数值计算和实验结果进行了分析。     

基于傅里叶变换光学系统的动态多光束干涉光刻

变参量微纳结构在二维平面内交叉、分段排布可以实现超表面器件的多路复用和多功能集成。为实现交叉、分段变参量微纳结构的干涉制备,提出了孔径光阑与相位元件联合调制的傅里叶变换光学系统。利用透镜的傅里叶变换特性和相位元件衍射光线的几何传播特性,阐明了傅里叶成像面上交叉、分段分布的多干涉光场的生成方法与调控规律。同时,针对目标分布的变参量微纳结构,反演设计了多像素孔径光阑与基于光栅和变参量光栅的相位元件,实验获得了交叉、分段分布的多干涉光场。将多干涉光场与微缩投影结合可制备分段排布的纳米光栅。将动态调控的多干涉光场分时复用可制备分段排布的变参量纳米光栅。     

光学微透镜阵列成像质量预测和测量

为了研究微透镜阵列成像质量的影响因素,针对慢刀伺服加工和紫外（UV）光固化工艺制备的微透镜阵列,引入微透镜阵列镜片的误差,建立基于Zemax光学软件的光学微透镜阵列成像仿真模型,分析透镜单元的高度、曲率半径、入瞳直径等误差对微透镜阵列成像质量的影响。搭建光学测试平台对评价微透镜阵列成像性能的光学参数进行检测,包括各透镜单元的焦斑大小、位置误差及其焦距值,并利用点扩散函数（PSF）曲线的半峰全宽值对光场成像结果进行成像质量评价,测量得到微透镜阵列的焦距标准误差为0.12 mm。将测量结果与仿真结果相比,可得PSF曲线的半峰全宽值误差在12%左右,证明了仿真模型的准确性。利用仿真和实验的方法建立了微透镜阵列镜片误差与其光学成像质量之间的关系,这可为基于功能实现的光学微透镜阵列的超精密加工工艺提供理论基础和指导。     

A compressed sensing approach for enhancing infrared imaging resolution

This paper presents a novel approach for improving infrared imaging resolution by the use of Compressed Sensing (CS). Instead of sensing raw pixel data, the image sensor measures the compressed samples of the observed image through a coded aperture mask placed on the focal plane of the optical system, and then the image reconstruction can be conducted from these samples using an optimal algorithm. The resolution is determined by the size of the coded aperture mask other than that of the focal plane array (FPA). The attainable quality of the reconstructed image strongly depends on the choice of the coded aperture mode. Based on the framework of CS, we carefully design an optimum mask pattern and use a multiplexing scheme to achieve multiple samples. The gradient projection for sparse reconstruction (GPSR) algorithm is employed to recover the image. The mask radiation effect is discussed by theoretical analyses and numerical simulations. Experimental results are presented to show that the proposed method enhances infrared imaging resolution significantly and ensures imaging quality.     

光学综合孔径望远镜成像分析及计算机仿真

阐述了光学综合孔径(OSA)望远镜成像原理以及综合孔径望远镜的几种实现形式；采用快速傅里叶变换(FFT)算法得到了任意子孔径综合模式下的点扩展函数(PSF)和光学传递函数(OTF)分布；从子孔径结构排列、共相位、图像恢复几个方面论述了光学综合孔径的成像特征。初步分析了稀疏率、填充因子、“实际截止频率”等因素对光学综合孔径望远镜成像的影响。分析和仿真结果表明：光学综合孔径通过相干成像不但可以突破传统单孔径系统的口径局限获得极高的成像分辨率，而且对于实现空间光学遥感系统轻量化和模块化都具有重要意义。     

六角形孔径平面微透镜阵列的制作及基本特性研究

采用光刻离子交换工艺制作了六角形孔径平面微透镜阵列.离子交换后的变折射率区域有微小重叠,填充系数可达95%以上.对制作的六角形孔径平面微透镜进行了折射率分布、数值孔径和像差等光学特性测试,得到的六角形孔径平面微透镜阵列光学性能均匀,成像质量较好的结果.该透镜阵列的研制成功为制作高质量高填充系数透镜阵列及模拟生物复眼光学系统奠定了基础.     

压缩感知在合成发射孔径医学超声成像中的应用

为了解决合成发射孔径技术在医学超声成像实现中面临的数据量大及接收通道多的问题,提出一种超声成像系统频率域稀疏性模型的压缩感知成像算法。首先对超声系统频率域稀疏性模型进行了验证;然后根据稀疏性模型利用压缩感知理论对回波信号进行压缩采样,并使用最优化方法完成回波信号重建;最终通过合成发射孔径技术完成超声成像。针对医学成像中常用的点目标及模拟胎儿目标进行成像仿真实验,对重建图像在均方误差、分辨率及成像质量等方面与常规成像结果对比分析。实验结果表明在保证成像质量的同时,仅使用30%原始数据量及50%总接收通道数目可完成成像;频率域稀疏性模型的压缩感知成像算法可以大幅度减少合成发射孔径成像所需数据量及接收通道数,极大地降低了系统复杂度。      

Infrared super-resolution imaging based on compressed sensing

The theoretical basis of traditional infrared super-resolution imaging method is Nyquist sampling theorem. The reconstruction premise is that the relative positions of the infrared objects in the low-resolution image sequences should keep fixed and the image restoration means is the inverse operation of ill-posed issues without fixed rules. The super-resolution reconstruction ability of the infrared image, algorithm’s application area and stability of reconstruction algorithm are limited. To this end, we proposed super-resolution reconstruction method based on compressed sensing in this paper. In the method, we selected Toeplitz matrix as the measurement matrix and realized it by phase mask method. We researched complementary matching pursuit algorithm and selected it as the recovery algorithm. In order to adapt to the moving target and decrease imaging time, we take use of area infrared focal plane array to acquire multiple measurements at one time. Theoretically, the method breaks though Nyquist sampling theorem and can greatly improve the spatial resolution of the infrared image. The last image contrast and experiment data indicate that our method is effective in improving resolution of infrared images and is superior than some traditional super-resolution imaging method. The compressed sensing super-resolution method is expected to have a wide application prospect.     

用于红外焦平面的正方形孔径球面微透镜阵列研究

针对目前红外焦平面光敏阵列中存在的占空比小、光能利用率低的实际问题,展开了正方形孔径球面微透镜阵列制作及其与红外焦平面阵列集成应用的研究.本文从红外焦平面光敏阵列特点入手,对比分析了正方形孔径相比于传统圆形孔径微透镜阵列在光能利用上的优势.提出正方形孔径微透镜阵列激光直写变剂量曝光制作技术,建立光刻胶曝光数学模型和正方形球面微透镜面型函数,以此为基础,编制直写设备变剂量曝光控制软件;利用长春理工大的学复合坐标激光直写系统和等离子刻蚀机进行相关工艺实验,制作了阵列256×256、单元尺寸40×40μm2、球面半径60μm、单元间距1μm的红外石英微透镜阵列;并将其与相应阵列的碲-镉-汞红外光敏阵列进行集成.结果表明:微透镜的占空比达到95%,红外焦平面光能利用率从原来的60%提高到90%以上.由此得出结论:变剂量曝光制作微透镜技术是可行的,正方形孔径球面微透镜阵列代替圆形孔径微透镜阵列,对于提高红外探测器的灵敏度、信噪比、分辨率等性能具备明显优势.     

用于红外焦平面的正方形孔径球面微透镜阵列研究

针对目前红外焦平面光敏阵列中存在的占空比小、光能利用率低的实际问题,展开了正方形孔径球面微透镜阵列制作及其与红外焦平面阵列集成应用的研究.本文从红外焦平面光敏阵列特点入手,对比分析了正方形孔径相比于传统圆形孔径微透镜阵列在光能利用上的优势.提出正方形孔径微透镜阵列激光直写变剂量曝光制作技术,建立光刻胶曝光数学模型和正方形球面微透镜面型函数,以此为基础,编制直写设备变剂量曝光控制软件;利用长春理工大的学复合坐标激光直写系统和等离子刻蚀机进行相关工艺实验,制作了阵列256×256、单元尺寸40×40 μm²、球面半径60 μm、单元间距1 μm的红外石英微透镜阵列;并将其与相应阵列的碲-镉-汞红外光敏阵列进行集成.结果表明:微透镜的占空比达到95%,红外焦平面光能利用率从原来的60%提高到90% 以上.由此得出结论:变剂量曝光制作微透镜技术是可行的,正方形孔径球面微透镜阵列代替圆形孔径微透镜阵列,对于提高红外探测器的灵敏度、信噪比、分辨率等性能具备明显优势.     

基于液晶光调制器的夏克-哈特曼波前探测技术

微透镜阵列是夏克-哈特曼波前探测器的关键器件。利用液晶器件的空间相位调制特性,可实现微透镜阵列功能,且具有孔径和焦距可变的优点。论述了基于液晶光调制的夏克-哈特曼波前探测校正技术的特征、技术进展、及应用前景。     

光学稀疏孔径系统的成像及其评价方法

对典型阵列结构的光学稀疏孔径系统成像特性进行了数值仿真分析,并采用基于光学实验测量的调制传递函数（MTF）完成了光学稀疏孔径系统成像实验的图像复原处理.针对复杂目标成像,为了评价光学稀疏孔径系统最终成像的整体质量,不仅考虑系统的调制传递函数指标,还提出了一种基于相关系数的成像质量客观评价方法.数值仿真结果和光学实验结果均表明,基于相关系数的成像质量客观评价方法是可行的,实验说明光学稀疏孔径系统成像质量可以达到其等效单个大孔径成像系统的成像效果.     

Image degradation characteristics and restoration based on regularization for diffractive imaging

The diffractive membrane optical imaging system is an important development trend of ultra large aperture and lightweight space camera. However, related investigations on physics-based diffractive imaging degradation characteristics and corresponding image restoration methods are less studied. In this paper, the model of image quality degradation for the diffraction imaging system is first deduced mathematically based on diffraction theory and then the degradation characteristics are analyzed. On this basis, a novel regularization model of image restoration that contains multiple prior constraints is established. After that, the solving approach of the equation with the multi-norm coexistence and multi-regularization parameters (prior’s parameters) is presented. Subsequently, the space-variant PSF image restoration method for large aperture diffractive imaging system is proposed combined with block idea of isoplanatic region. Experimentally, the proposed algorithm demonstrates its capacity to achieve multi-objective improvement including MTF enhancing, dispersion correcting, noise and artifact suppressing as well as image’s detail preserving, and produce satisfactory visual quality. This can provide scientific basis for applications and possesses potential application prospects on future space applications of diffractive membrane imaging technology.