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。     

基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率计算成像系统设计

针对实时广域高分辨率成像需求,充分利用具有对称结构的多层共心球透镜视场大且各轴外视场成像效果一致性好的特点,设计基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率计算成像系统.该系统基于计算成像原理,通过构建像差优化函数获得光学系统设计参数,结合球形分布的次级相机阵列进行全局性优化,提高系统性能的同时有效简化光学设计过程、降低系统设计难度.系统稳定性测试结果表明,该成像系统的MTF(modulation transmission function)值在截止频率处接近衍射极限,弥散斑均方根恒小于探测器像元尺寸,整机实景实时成像效果良好,无视觉可见畸变.该系统不仅有效解决了传统成像中广域和高分辨率成像矛盾的问题,而且为计算光学成像系统设计奠定了一定研究基础.     

机载多尺度广域高分辨率成像系统设计

针对机载光电成像系统的大视场高分辨率成像需求,设计一种基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率光学成像系统,该光学系统包括大尺度共心球透镜和小尺度次级相机阵列,具有结构紧凑的优点。根据共心球透镜所具有的球差和色差特性,并结合小尺度相机对像差进行进一步校正以分割视场,可以实现大视场高分辨率成像。全系统在受力以及高、低温的条件下进行实验,实验结果表明该成像系统具有良好的稳定性,且全视场范围内的调制传递函数值恒接近于系统的衍射极限,弥散斑半径的方均根值小于探测器的像元尺寸,说明该系统的成像效果良好。所提系统可以有效解决传统机载成像系统难以同时满足大视场和高分辨率的问题,为光学成像系统设计提供一种新思路。     

分振幅偏振成像相机标定方法研究

在分振幅偏振成像探测器标定过程中,针对标定系统引入的误差和探测器自身误差的超多影响因素的强耦合问题,提出采用一种非线性最小二乘拟合法,将探测器与标定系统的主要误差影响因素以未知参数的方式代入拟合方程中进行标定计算.在波段为532 nm的入射光源下,对标定后探测器的精度进行了验证.探测线偏振光的偏振角误差在0.2°以内,线偏振度误差在2.5%以内,探测左右旋圆偏振光的圆偏振度误差在3.5%以内,满足了天空偏振探测的应用.非线性最小二乘拟合法可以有效的标定分振幅偏振成像探测器.     

共口径中波/短波偏振红外成像光学系统

对中波/短波偏振红外成像光学系统进行了研究,设计了一个新颖的共口径中波/短波偏振红外成像光学系统.该光学系统由全反射式无焦光学系统、分束镜、二级镘远系统、偏振组件和红外物镜系统组成,为了约束主反射镜、双面反射镜、分束镜和偏振片的H径,创造性地采用了_三次成像光学系统.光波经无焦光学系统后被分束镜分成中波红外波段(3～5 gm)和短波红外波段(1～2.5弘m).然后分别经两个物镜系统会聚到两个探测器上.实现了双波段共1:3径成像.给出了光学系统的设计结果.像质良好,满足整机使用要求.     

基于PSD的单透镜激光三角测头设计

在传统直射式激光三角测距方法的基础上,设计了一种基于位置敏感探测器的单透镜激光三角测头.引入一枚分束镜,将聚焦透镜和成像透镜合并为一枚.在空间布局上,令分束镜、探测器、聚光透镜三者共轴,使系统的结构更加紧凑,并推导了满足该结构的Scheimpflug条件.利用Zemax光学设计软件仿真光学系统,系统焦距20mm,入瞳直径4mm,总长20.5mm,可实现测量系统的小型化.同时,对位置敏感探测器进行非线性校正以及相关信号处理,保证在较高测量精度的前提下获得更大的工作范围,并提高系统对测量环境适应性,可广泛应用于工业实时在线检测等领域.     

混合仿生鱼眼-复眼的广角高清成像系统

基于多尺度成像理论,采用混合仿生鱼眼-复眼结构,实现了大视场兼具高分辨率的光学成像系统设计。前级物镜系统为大直径球透镜,收集广角目标光线并成像到与球透镜同心的球面中继像面上;次级目镜系统是关于球透镜中心球对称的小口径透镜组阵列,对中继像进行像差校正并成像到探测器阵列上。对比了物镜采用双层同心球和单个球透镜的成像性能,后者可获得更优的成像性能且避免了双胶合球透镜带来的公差控制及力学与热稳定性问题。整个成像系统的视场大于100°,全视场内角分辨率优于10″,而畸变小于5%;系统具有大景深特点,不需调焦即可同时对300 m到无穷远目标清晰成像,可广泛应用于侦查监控等领域。     

关于部分偏振光能量传递和偏振态的光线椭圆分析方法

部分偏振光传播时的光强和偏振态变化情况比较复杂, 尤其是当大数值孔径成像时, 光束的偏振态还会影响成像质量. 本文提出一种用于分析部分偏振光能量传递和偏振态的光线椭圆方法, 采用光线椭圆叠加的办法来分析光束在各向同性的均匀介质中传输时能量和偏振态的变化情况, 同时直观性好, 计算量小. 论文最后, 对大数值孔径、 高像质的齐明透镜系统讨论了入射无偏振光的能量、 偏振态变化, 以及偏振效应问题. 结果表明, 大数值孔径使成像光束中TM偏振光强度相对增加, 影响成像对比度; 提高像方介质的折射率, 会改善此种偏振效应问题.     

基于Stokes矢量的实时偏振差分水下成像研究

偏振差分水下成像能够有效地克服光散射效应造成的图像退化问题, 在水下物体探测与识别领域具有重要应用价值. 传统的偏振差分方法靠光学检偏器的无规则机械转动来实现对散射背景的共模抑制, 限制了其在水下成像过程中的实时探测性能. 本文通过分析偏振差分探测原理来建立偏振差分成像模型, 从理论上提出了基于Stokes矢量的计算偏振差分水下实时成像系统, 并进行了实验验证. 研究结果表明, 基于Stokes矢量的计算偏振差分成像不仅与传统的偏振差分方法具有相同的水下探测效果, 更重要的是可以实现快速成像过程. 该方法可以应用到目前的偏振成像仪器系统, 实现无需人-机互动的自动化实时偏振差分水下成像, 进一步提高水下物体探测与识别的效率.     

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。     

基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪设计

设计一种以Wollaston棱镜为分光元件的图像复分快照式成像光谱系统,主要包括前置望远物镜、准直镜、Wollaston棱镜组、成像镜和补偿滤光片。此类光学系统可以一次曝光获取同一目标景物在不同波长下的二维信息。光束经过Wollaston棱镜组分光,为了使不同波长对应景物不至于重叠,要求分束角度比较大,这样进入成像镜的光线入射角度相对较大,无疑增加了成像镜的设计难度。分析了基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪的原理及特点,设计了一套完整的成像光谱系统。全系统结构复杂,光学系统的光阑必须匹配好。为了使得不仅单个镜头成像质量良好,而且镜组之间能够良好的衔接,将前置望远物镜设计为像方远心结构,准直镜设计为物方远心结构。全系统采用多重结构,使得16个谱段在56线对处的MTF值均接近衍射极限,点列图中RMS值基本都在艾里斑以内,系统成像质量良好。     

基于正交调制的偏振光谱成像系统研究

为了同时获取目标的全偏振二维图像信息和其光谱信息,设计了一种基于正交调制的偏振光谱成像系统。该系统由光学接收模块、相位调制器、Wollaston棱镜、Savart偏光镜、检偏器以及成像模块组成。其可以将原始光信号分解成两束相互正交的偏振光,并且分别成像在CCD焦平面的上下两部分上,从而构成两幅偏振图像。两组图像的叠加可以将干涉条纹的数据相互抵消,从而获得目标的纯图像信息,两组图像的相减可以将目标灰度图像相互抵消,从而获得目标的纯干涉条纹。通过理论分析与计算得到了光强分布函数和光谱变化形式。实验在稳定的光源环境中采用高对比度目标与背景板,完成了全偏振图像的实时采集。经相位校正和切趾处理改善了干涉图像的畸变,又通过去低频滤波和阈值滤波抑制了图像中背景噪声的影响,从而实现了对目标图像的提取及偏振光谱的复原。该系统具有稳定性高、光谱分辨率可调、信噪比高、可识别能力强等特点,对在复杂背景中提取目标图像、光谱及偏振态信息具有重要意义。     

偏振干涉成像光谱仪中Wollaston棱镜光程差及条纹定位面的精确计算与分析

论述了基于单Wollaston棱镜的偏振干涉成像光谱仪的基本原理;采用波法线追迹方法,对光以4种不同入射方式经过偏振干涉成像光谱仪中单Wollaston棱镜的精确光程差、分束角及干涉条纹定位面进行了计算,并给出它们与棱镜楔角、入射角及入射位置之间的理论公式;采用计算机模拟对光程差、分束角及条纹定位面的精确值和近似值进行分析与比较,结果表明精确值和近似值之间存在较大差异;当棱镜楔角、入射角及入射位置增大时,精确值和近似值之间的偏离量随之增大;利用得到的精确值分析了条纹定位面的偏离量及其对傅里叶透镜成像的影响 关键词： 偏振干涉成像光谱仪 Wollaston棱镜 光程差 条纹定位面     

Profilometry with compact single-shot low-coherence time-domain interferometry

We describe the performance of a compact single-shot low-coherence interferometric scheme that can be capable of measuring three-dimensional surface profiles and shape. This technique utilizes a polarizing Michelson interferometer and a four-channel polarization phase-stepper optics, which is based on a paired wedge prism, a combined wave plate and a Wollaston prism. The coherence gated surface image can be calculated by the simultaneous acquisition of two interferograms and a DC image on a single CCD camera. The image calculation is based on a novel algorithm to calibrate the imbalanced intensity as well as the deviated arbitrary relative phase of each of the imaging channels. The system can display the transverse cross-sectional images in real-time. To demonstrate the feasibility of this system, a Japanese coin is presented as a 3-D shape measurement example with an image size of 4 mm (horizontal) × 4 mm (vertical) × 160 μm (depth).     

透镜初级球差的横向剪切干涉条纹研究

利用玻璃平行平板构成简单的横向剪切干涉仪可以观察到单薄透镜形成的准直光束的剪切干涉条纹,由干涉条纹分布求出对应的几何像差和离焦量.用焦距为190 mm的单薄透镜做实验,实验结果与计算机模拟结果符合,说明可以从剪切干涉条纹的分布求出透镜的轴向调整误差和初级球差.     

新型偏振干涉成像光谱仪中格兰-泰勒棱镜像质分析与评价

阐述了自行研制的新型偏振干涉成像光谱仪中重要偏光器件格兰-泰勒棱镜的分光机理,应用光线追迹法分析计算了光在格兰-泰勒棱镜中的传播规律与光线轨迹;推导出了任意角度入射时光线在棱镜中的传播方向及出射点坐标;给出了格兰-泰勒棱镜的像点位移和色差理论计算公式.该研究对晶体器件像质的分析计算及评价具有普遍的指导意义,为新型偏振干涉成像光谱技术的研究以及偏振干涉成像光谱仪的研制提供了重要的理论依据. 关键词： 偏振干涉成像光谱仪 格兰-泰勒棱镜 像点位移 色差     

低轨空间目标地基偏振成像系统偏振定标方法

针对地基大口径望远镜的机上自适应光学系统构建的低轨空间目标偏振成像系统,提出一种基于非偏振标准星和机上起偏装置的宽带偏振定标方法。该方法以非偏振标准星作为光源,并在望远镜系统的一次像面处加入起偏装置对入射光的偏振态进行调制,再结合基于非线性最小二乘拟合的偏振定标方法分两步对整个偏振成像系统进行宽带偏振定标。为验证该偏振定标方法的效果,利用Matlab软件基于相干矩阵和偏振追迹构建了相应的模型进行仿真分析,仿真结果表明该偏振定标方法可以有效减小望远镜系统偏振效应对偏振探测准确性的影响,并且偏振定标元件的初始角度误差在±5°范围内时对偏振定标准确性的影响极小。     

望远系统像倾斜的数字图像测量技术的研究

利用CCD摄像机采集像倾斜分划图像,建立线性回归数学模型,通过"目标移动法"和"亚像素定位边缘法"实现望远系统像倾斜的高精度自动测量。该方法可消除传统像倾斜测量方法中的主观误差的影响,图像处理误差小于10″,使测量的结果客观化,易于实现光电自动测量。     

Static polarization-difference interference imaging spectrometer

A static polarization-difference imaging spectrometer is conceptually described and demonstrated through experiment. It consists of a Wollaston prism, a Savart polariscope, a linear analyzer, and a CCD camera. This design improves the existing polarization-difference system by eliminating its moving parts and obtaining the spectral variation of the polarization state, and making the system more compact and robust. After simultaneously acquiring two sequential interference images corresponding to two orthogonal polarization states, the hyperspectral images of the states can be reconstructed, respectively. The use of uniaxial birefringent crystal can widen the detectable spectral region.     

Atomic resolution imaging of oxygen atoms close to heavy atoms by HRTEM and ED,using the superconductor SmFeAsO0.85F0.15 as an example

Imaging of light atoms has always been a challenge in high-resolution electron microscopy. Image resolution is mainly limited by lens aberrations, especially the spherical aberration of the objective lens. Image deconvolution could correct for the image distortion by lens aberrations and restore the structure projection, the resolution of which is limited by the information limit of the microscope. Electron diffraction unrestricted by lens aberrations could overcome this resolution limit. Here we show a combination of electron diffraction and image deconvolution to reveal simultaneously the atomic columns of O and considerably heavier Sm at a very close distance (1.17 Å) in iron-based superconductor SmFeAsO_0.85F_0.15 using a conventional 200 kV electron microscope. The approach used here, starting from an image and an electron diffraction pattern, has an advantage for those radiation-sensitive samples. Besides, it can be applied to simultaneously imaging light and heavy atoms, even though they have a big difference in atomic number and a much smaller atomic distance than the microscope resolution.