高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用

大到天文光学望远镜观察浩瀚的宇宙,小到光学显微镜探察细微的纳米世界,光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着至关重要的角色.看得更远、看得更细、看得更清楚是人们不断追求的目标.传统光学理论已证明所有经典光学系统都是一个衍射受限系统,即光学系统空间分辨率的物理极限是由光的波长和系统的相对孔径(或数值孔径)决...     

图像二维运动时的光学传递函数计算

随着空间科学技术的发展,空间遥感,侦察的能力日益提高,对光学成像系统的分辨率的要求也越来越高。但是这种高分辨率成像系统的成像质量要受到机械振动的影响。可用运动光学传递函数来评价存在机械振动的光学系统的成像特性,本文探讨了计算运动光学传递函数的一种新方法－统计矩法,研究了当光学系统所成的像在二维方向上存在的运动时的运动光学传递函数的解析与数值方法。该方法可以计算任何形式的图像运动导致的成像质量的下降,而且可以很方便地应用到一维运动的情况。     

计算成像内涵与体系(特邀)

传统光电成像技术受工业化设计思想限制,性能已近极限,难以满足信息时代下越来越高的应用需求。计算成像技术是信息时代发展的必然,在信息获取、传递和解译等过程中与数学计算、信号处理深度耦合,可有效突破光学成像过程中物理信息获取难、建模难和解算难的瓶颈,同时在信息的维度、尺度和分辨率等方面皆可实现质的突破。尽管计算成像发展很快,但目前仍呈现出碎片化、分散化的态势,缺乏系统性的体系引领其技术发展。因此,凝练计算成像技术的概念和内涵,建立计算成像技术体系分类,分析待解决的共性基础问题和关键技术,尤其是非线性成像模型问题;从更远作用距离、更高成像分辨率、更广视场和更小光学系统四个典型需求进行剖析,对超大口径及超衍射极限、仿生光学、光场信息深度解译、计算光学系统设计以及计算探测器应解决的关键问题进行阐述。本文提供了一种全局视角,将更好地推动计算成像技术的发展和应用进程。     

空间遥感测绘光学系统研究综述

将遥感技术应用到测绘当中是现代地质测绘技术的发展趋势,随着光学载荷分辨率的不断提高,遥感测绘已经成为社会发展和国民经济发展的重要保障。光学载荷决定了测绘空间遥感器的分辨率、测绘精度、卫星平台体积与重量,是遥感器的核心部分。本文对高成像质量透射光学系统、同轴三反光学系统、离轴三反系统等常用的空间遥感测绘光学系统的结构形式和光学性能分别进行了介绍,并对处于研发阶段的新型空间反射光学系统的结构形式和光学性能进行了展望。分析认为,根据不同的应用环境和技术指标,合理选用不同种类的遥感测绘光学系统,可以最大程度利用平台资源,满足遥感测绘需求。     

新型衍射光学成像光谱仪的设计和分析

为了克服在传统衍射光学成像光谱仪中,衍射透镜的焦距随波长变化引起系统放大率随波长变化,从而导致光谱图像的像元配准误差,得到并不精确的相对光谱信号强度,提出了将衍射透镜与消色差透镜系统相结合的新型折/衍混合、二组元复合远心成像光学系统的技术方案,具体分析推导了该系统的成像理论.在此理论指导下,利用光学设计软件Zemax设计了一套可见近红外成像光谱仪光学系统.结果表明,不但系统的放大率不随波长变化,而且进一步降低了衍射透镜的加工难度,改进了衍射光学成像光谱仪的光学性能,为新型衍射光学成像光谱仪的研制提供了重要的理论依据和设计指导.     

新型三反射光学系统设计

随着空间光学技术的发展,对于空间相机地元分辨率的要求越来越高,而且必须具有多光谱成像能力,因此空间相机光学系统的设计要满足视场大和畸变小的要求.本文以共轴三反射光学系统为基础,研究了一种新型的三反射光学系统.该系统不仅中心遮拦小、光学畸变低,而且实现了全色和多光谱CCD的合理排布.设计结果表明:当光学系统的焦距为f=12 000 mm、F数为12、成像谱段位于450~900 nm时,视场角可以达到1.6°,光学系统的线中心遮拦比低于1/3,光学畸变量小于0.5%,在50 lp/mm处调制传递函数优于0.47,成像质量达到衍射极限,可以满足多光谱高分辨率空间相机对地遥感的使用需求.     

利用可变形镜进行像差校正研究

利用可变形镜对光学系统某一视场角像差进行单独动态校正.系统中使用可变形镜将全视场内某一特定视场角的像差校正到衍射极限水平,该区域在整个视场内动态高速地改变来对视场内任意区域进行高分辨率成像.利用这种技术可实现光学系统的小型化、轻型化,减小系统的体积,同时由于实现变分辨率成像,数据量大大减少,降低了数据传输对带宽的要求.     

相干场成像技术分辨率研究

根据光学传递函数的相关理论, 推导了相干场成像技术(又称傅里叶望远镜)的光学传递函数和点扩散函数, 给出了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率计算公式, 为分析相干场成像系统能实现的极限角分辨率提供了理论依据. 在此基础上研究了T型、O型两种发射镜阵列布局相干场成像系统的分辨率之间的关系. 关键词： 相干场成像 傅里叶望远镜 分辨率 光学传递函数     

基于相位差异技术的车载白天高分辨成像系统

在1.2m车载望远镜的基础上,通过机上折轴卡塞格林焦点,将主光学系统与白天成像系统相连,实现了白天高分辨成像.该系统采用短波红外波段,在精密跟踪的同时,校正大气波前整体倾斜.近红外波段的双通道成像系统,通过在焦与离焦像面同时采集后,利用相位差异技术来提高成像分辨率.该系统探测能力达到5等星,成像分辨率接近两倍衍射极限,观测时间比自适应系统延长6h.     

简单光学成像技术及其研究进展

计算成像为光学成像系统提供了更强大的信息获取能力,通过在成像链路中引入编解码过程,在增大信息量的同时降低系统的复杂度,为实现更简单和更智能的成像系统奠定了基础.本文总结了以计算成像为基础的简单光学成像技术的发展.简单光学以小型化和集成化的成像元件与系统为目标,将光学系统设计与图像处理算法进行联合优化,在小尺寸、低质量和低功耗的系统中实现与复杂光学系统相媲美的成像效果.随着微纳加工技术的发展,简单光学元件从单透镜或少片透镜逐渐发展到衍射光学元件、二元光学元件和超构表面等平板光学元件.复原算法中总结了正向求解算法、基于模型的优化迭代算法和深度学习人工智能算法.本文介绍了深度成像、高分辨与超分辨成像、大视场和大景深成像等技术,以及简单光学在消费电子、自动驾驶、机器视觉、安防监控和元宇宙等领域发挥的作用,并对未来的发展进行展望.     

光学稀疏孔径系统的成像及其图像复原

由多个小口径成像系统通过特殊排列综合而成的光学稀疏孔径系统是实现高分辨率天文目标成像观测的一种新方法.建立了光学稀疏孔径系统的衍射受限非相干成像模型,并针对某一具体的光学稀疏孔径系统,运用图像复原维纳滤波器完成了系统成像和图像恢复处理的计算机仿真实验.结果表明,光学稀疏孔径系统可以等效实现单个大口径成像系统的成像观测效果.     

Design of an all-dielectric long-wave infrared wide-angle metalens

Optical metasurfaces are two-dimensional arrays of nano-scatterers that modify optical wavefronts at subwavelength spatial resolution. They achieve the effect of focusing through phase control under a subwavelength scale, and are called metalenses. They are poised to revolutionize optics by enabling complex low-cost systems. However, there are severe monochromatic aberrations in the metasurfaces. In this paper, the coma of the long-wave infrared optical system is eliminated through a single-layer metasurface. By changing the phase function, this metalens has a numerical aperture of 0.89, a focal length of 150 μm and a field of view of 120° (0.4@60 line pairs/mm) that enables diffraction-limited monochromatic imaging along the focal plane at a wavelength of 10.6 μm. The designed metasurface maintains a favorable value of the modulation transfer function at different angles. This equipment can be widely used in imaging and industrial processing.     

Terahertz interferometric synthetic aperture tomography for confocal imaging systems

Terahertz (THz) interferometric synthetic aperture tomography (TISAT) for confocal imaging within extended objects is demonstrated by combining attributes of synthetic aperture radar and optical coherence tomography. Algorithms recently devised for interferometric synthetic aperture microscopy are adapted to account for the diffraction-and defocusing-induced spatially varying THz beam width characteristic of narrow depth of focus, high-resolution confocal imaging. A frequency-swept two-dimensional TISAT confocal imaging instrument rapidly achieves in-focus, diffraction-limited resolution over a depth 12 times larger than the instrument's depth of focus in a manner that may be easily extended to three dimensions and greater depths.     

衍射受限光学合成孔径成像系统像质评价

简述了光学合成孔径成像系统的原理,合成孔径成像系统在获得高截止频率的同时,降低了系统的中频性能,在空域表现为点扩展函数次峰增加。然后运用两点分辨率和光学传递函数对衍射受限光学合成孔径成像系统的像质评价问题进行了分析,指出了瑞利判据、斯派罗准则和“门限”判据的不足,认为当点扩展函数次峰大于主峰的0．5倍时,合成孔径系统与单孔径系统相比将失去优势。以光学传递函数为标准。分析三孔径合成系统子孔径尺寸、相互间距与等效系统孔径尺寸之间的关系。当子孔径直径不变时,随着其所在圆半径的增大,实际截止频率先增大,然后减小。     

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.     

Sub-Rayleigh ghost imaging via sparsity constraints based on a digital micro-mirror device

In a diffraction-limited system, the imaging resolution limit is given by Rayleigh criterion. When both the image?s sparsity and the point spread function determined by the optical system?s Rayleigh diffraction limit are taken as popular a priori, sub-Rayleigh ghost imaging, which is backed up by numerical simulation and experiments, is achieved by modulating the thermal light with a digital micro-mirror device (DMD). The differences between this approach and former ghost imaging without considering the optical system?s point spread function are also discussed.     

Extended resolution wide-field optical imaging: objective-launched standing-wave total internal reflection fluorescence microscopy

Standing-wave total-internal-reflection fluorescence (SW-TIRF) microscopy uses a super-diffraction-limited standing evanescent wave to extract the high-spatial-frequency content of an object through a diffraction-limited optical imaging system. The effective point-spread function is better than a quarter of the emission wavelength. With a 1.45 numerical aperture objective and 532 nm excitation wavelength, a Rayleigh resolution of approximately 100 nm can be achieved, which is better than twice the resolution of conventional TIRF microscopy. This first experimental realization of SW-TIRF in an objective-launched geometry demonstrates the potential for extended resolution imaging at high speed by using wide-field microscopy.     

基于PIV评价的光瞳超分辨理论与技术

随着成像探测技术的发展，对光学系统的分辨能力提出了更高的要求，用传统的光学理论需增大光学系统口径才能满足要求，在对尺寸，重量和价格有限制的实际系统中往往很难实现。基于瑞利判据作为ＰＩＶ指标的光瞳超分辨技术，可以在不增加光学系统口径的条件下提高系统分辨率，由于本技术可以用光瞳滤波器的形式以硬件实现，成像探测过程不必增加额外的工作时间，在理论分析的基础上，设计了实际的超分辨光瞳，并给出了计算机模拟和实     

大口径光学合成孔径成像技术发展现状

简明介绍了光学合成孔径的两种成像方式和光学波段合成孔径的发展概况。全面介绍镜面拼接、稀疏孔径和位相阵列3种合成孔径结构系统国内外发展现状。归纳出了目前光学合成孔径技术在天基和地基观测系统的发展趋势及技术难题。与传统单一口径的光学系统相比,光学合成孔径系统具有更高的分辨率、镜面加工难度低、易折叠、重量轻等特点,是实现高分辨率光学成像系统的一种重要且有效途径。