探测器采样频率与光学系统衍射截止频率比值对航空图像质量的影响

以Q值作为参照指标,考虑光学系统分辨率和探测器分辨率,通过图像仿真效果的对比讨论了不同Q值成像系统的成像质量.结果表明:成像系统设计过程中需在光学系统分辨率和探测器分辨率之间进行权衡,Q=2时成像系统的成像质量最好,但实际设计过程中考虑到其他因素(系统信噪比、场景大小、运动模糊等),往往取Q＜2可获得高品质图像.因此,Q值可作为参考指标为光电成像系统设计提供一定指导.     

光电系统中探测器与光学系统的匹配

研究了小目标在光电成像系统中的成像 ,讨论了光电成像系统中影响系统分辨率的两个主要因素 :光学系统的爱里斑和探测器的尺寸。通过对这两个因素的分析可以看到 ,光电成像系统中光学系统的F数以及系统的工作波段与探测器尺寸的相互制约关系     

人眼视网膜成像自适应光学系统设计

设计一套基于液晶空间光调制器的人眼视网膜成像自适应光学系统,以获得高分辨率视网膜图像,并且使该系统实现体积小,功耗低,成本低等优点.采用夏克-哈特曼探测器和基于硅基板上的液晶器件分别作为波前探测器和波前校正器.系统采用双对准光源以主观方式来使人眼对准,近红外光探测成像以减小对人眼的刺激.使人眼对有限距离对焦,以减小离焦对成像的影响,使该系统既可用于正常眼,又可用于近视眼.用ZEMAX软件对系统进行了模拟分析,认为该系统可获得高于3 μm的视网膜分辨率,该系统设计是合理可行的.     

人眼视网膜成像自适应光学系统设计

设计一套基于液晶空间光调制器的人眼视网膜成像自适应光学系统,以获得高分辨率视网膜图像,并且使该系统实现体积小,功耗低,成本低等优点.采用夏克-哈特曼探测器和基于硅基板上的液晶器件分别作为波前探测器和波前校正器.系统采用双对准光源以主观方式来使人眼对准,近红外光探测成像以减小对人眼的刺激.使人眼对有限距离对焦,以减小离焦对成像的影响,使该系统既可用于正常眼,又可用于近视眼.用ZEMAX软件对系统进行了模拟分析,认为该系统可获得高于3 μm的视网膜分辨率,该系统设计是合理可行的.     

基于仿视网膜成像器件的折反射全景系统设计

针对传统折反射全景成像系统的图像必须依赖展开技术的问题,提出一种基于仿视网膜成像器件的折反射全景系统设计。利用国内首款仿视网膜CMOS探测器各环上像元与周向、径向空间瞬时视场的对应关系,推导了双曲面反射镜的镜面参数,构建了基于BIT Retina52探测器的全景成像系统。系统实现了无需坐标变换的全景图像直接输出,较之传统折反射成像系统,改善了空间角分辨率变尺度分布问题。     

基于成像清晰度函数的非球面反射镜位置校正实验研究

在具有双曲面、抛物面或椭圆面反射镜的成像光学系统中,反射镜的位置误差通常具有对成像质量影响灵敏的特点.因此,在该类光学系统装调或工作过程中反射镜位置存在误差时需要对该反射镜进行精确调整.目前,反射镜位置校正的方法多基于对系统波前误差的测量,从而判断其位置误差.然而在系统工作过程中可能无法进行光学系统的波前测量,或者需要复杂的光学系统才能实现波前误差的测量.本文以焦平面图像清晰度作为评价函数,采用随机并行梯度下降算法对反射镜位置进行调整,使系统成像质量达到最佳.针对迭代过程中反射镜位置发生变化时图像偏离探测器靶面而无法探测的问题,本文采用了一种反射镜垂直光轴平移和旋转相结合的调整方法.在保证图像位置不变化的条件下对系统像差进行校正.室内实验验证了该方法具有可行性,校正后的成像质量达到衍射极限.     

制冷型红外成像系统内部杂散辐射测量方法

杂散辐射是红外光学系统设计和检测过程中涉及的一项重要指标.为了定量测量红外成像系统内部杂散辐射, 提出一种基于辐射定标的测量方法, 并通过理论推导和实验验证以说明该方法的合理性.首先, 建立了不带光学系统的辐射定标模型, 即探测器直接接收定标源辐射能, 获得探测器内部因素对系统输出的影响; 然后将其与带有光学系统的定标结果进行比较, 得到由光学系统自身辐射对系统输出的影响, 进而计算红外成像系统内部杂散辐射; 最后通过实验证明了本文理论的正确性.该方法操作简单, 对实验条件要求低, 并可以精确地测量红外成像系统内部杂散辐射.可用于指导红外系统设计中的杂散辐射抑制, 验证系统杂散辐射分析结果是否准确以及检测系统杂散辐射指标是否合格.     

探测器频带对光声成像分辨率的影响研究

 为了研究探测器频带对光声成像分辨率的影响,采用有限元仿真实验,得出不同探测器频带与分辨率之间的经验公式,即对于mm量级的吸收体,探测器的截止频率大于2 MHz时,重建图像分辨率变化不明显,当探测器的截止频率小于2 MHz时,分辨率降低非常明显。该研究结果对光声成像探测器的选择、成像效果评估具有参考价值。     

X射线成像系统点扩展函数理论模型及其实验验证

X射线成像系统点扩展函数是影响X射线成像空间分辨率和密度分辨率的决定性因素,在系统分析X射线成像物理过程基础上,建立了X射线成像系统点扩展函数的一种数学解析模型,推导出了射束有效宽度计算公式,最后通过实验验证了模型的正确性。该模型为X射线成像系统空间分辨率和密度分辨率的初步设计和评定提供了理论依据,可作为X射线图像恢复算法中模糊函数的先验信息。     

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.     

傅里叶望远镜外场实验与结果分析

为了分析外场环境因素对傅里叶望远镜成像质量的影响和验证成像过程不受下行链路大气扰动影响的特点,开展了傅里叶望远镜外场实验研究.外场实验在室内实验的发射光学系统的基础上增加了主镜、次镜和会聚透镜组对目标散射光进行3次会聚仿真实际系统的成像过程,同时将目标与主镜、主镜与次镜分别拉开100 m距离验证成像系统不受下行链路大气扰动影响的特点.实验利用胶片打印的2种不同的卫星图片作为目标,获得了Strehl值分别为0.44、0.39的无大气扰动的外场重构图像和Strehl值分别为0.43、0.38的含大气扰动的外场重构图像.通过比较外场重构图像与室内重构图像的Strehl值,得出发射光学系统中光束的振动对成像有较大影响.分析发现无大气扰动外场重构图像与含大气扰动外场重构图像的Strehl值相近,从而验证傅里叶望远镜成像过程不受下行链路大气扰动的影响.     

湍流大气中图像传输的信息量

分别从系统像的信息量和信息自由度的角度分析了大气湍流对相干和不相干照明光学系统成像质量和分辨率的影响。理论上，处于一定大气湍流条件下的相干照明系统存在着超出经典衍射极限的超分辨率。     

带有波前编码板的虹膜采集光学系统的设计

设计了一款采用波前编码技术的虹膜采集光学系统,以实现大景深、自然非约束状态下的成像.以传统的光学系统评价指标斯特利尔比和能量集中度作为波前编码系统的成像特征,利用ZEMAX软件对波前编码系统进行设计,权衡了离焦不敏感性和图像可恢复性.比较了带有立方相位编码板和带有修正项的立方相位编码板的虹膜采集系统以及传统系统的焦深延拓效果.发现采用立方相位编码板的虹膜采集光学系统的焦深延拓效果最佳,其焦深是传统系统的8倍.该系统增大了虹膜采集的距离,对于自然状态虹膜成像系统设计有一定的参考价值.     

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.     

四通道微光偏振实时成像光学系统设计

为了提高微光成像质量,实现针对动态目标或变化场景的实时性成像的需求,基于偏振成像原理,并结合孔径分割技术设计了微光偏振实时成像光学系统。光学系统采用共口径四通道阵列结构,将4个待测偏振态分成4个独立的成像通道,通过子孔径成像镜组对探测器靶面进行四象限分割成像,每个偏振通道通过放置起偏状态不同的偏振片获取目标不同偏振态的强度图像,从而实现实时偏振成像。光学系统的设计焦距为100 mm、系统整体F数为1.2、工作波长范围为0.4 μm~0.85 μm、最低工作照度为1×10-3 lx、可输出1 080 pixel全高清图像。系统光学总长为167.5 mm,单通道镜头的MTF值在40 lp/mm处全视场均高于0.57。     

基于计算成像的端到端延展景深衍射元件的设计

提出一种基于计算成像理论的端到端衍射元件设计方法,通过全局性优化方案将光学设计和图像复原作为整体,从而降低前端光学系统的成像质量要求,并利用图像复原算法去除残余像差以简化系统。所提设计方法涵盖光场传播、探测器去噪和图像后处理等关键环节的模型建立与联合优化。该设计方案可用于景深延展的轻薄型衍射元件的设计,且所适用的大景深的简单光学系统具有较高的成像质量。     

一种提高非扫描激光雷达距离分辨率的方法

现有非扫描激光雷达阵列探测器的信噪比较低,影响到系统的距离分辨率,详细分析了阵列探测器的噪声特性,得出了噪声满足各态历经性的重要结论,并指出在输入信号相同的条件下,可以通过空域积累代替时域积累的方法提高距离探测器的信噪比.并根据前述结论针对非扫描激光雷达/电视复合成像系统,提出一种采用改进邻域平均的图像处理方法提高非扫描激光雷达系统距离分辨率的图像处理方法,并应用于实际系统,结果表明该方法能够有效提高非扫描激光雷达系统距离分辨率.     

扫描型长波红外连续变焦光学系统

基于斯特林制冷式4×288元光伏型碲镉汞二维探测器, 根据红外扫描成像系统原理, 设计了一个扫描型长波红外连续变焦光学系统。根据系统指标要求对光学指标进行分解计算及光学优化设计得到系统的光学参数和外形结构图, 并对扫描光学系统的冷反射进行分析优化。该光学系统采用三次成像的结构, 由变焦望远镜组、扫描摆镜、中继镜组、成像镜组4部分组成, 包含9片透镜和2片反射镜。为了降低校正色差成本, 系统使用了硫系玻璃镜片。光学仿真结果表明:系统在耐奎斯特频率处的全视场光学传递函数大于0.35, 全视场畸变小于2%。最后, 对系统进行了成像实验验证, 结果表明:该系统可以实现30.8~154 mm范围内连续变焦, 变焦过程中目标景物清晰, 细节分辨率高, 无冷反射现象出现, 该系统具有分辨率高、热灵敏度高、像质清晰等特点。     

折/反混合式长波红外成像光谱仪光学系统设计

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像,满足目标探测对多信息量的需求,设计了高光谱分辨率长波红外(8~12 μm)成像光谱仪。前置望远系统采用离轴三反系统,以实现无遮拦、大口径及宽视场成像设计;光谱分光系统分别采用折射式和反射式结构进行优化设计。设计结果显示,采用折射式结构,可得到通光孔径为100 mm,F数为2,光谱分辨率16 nm,空间分辨率150 μrad,冷光阑效率100%,成像质量接近衍射极限的光学系统;采用反射式结构,为了保证光学系统无挡光,需采用多片离轴反射镜,增加了系统的非对称性,使得系统的像散、彗差和场曲难以校正到最佳状态。设计结果表明：折/反混合式成像光谱系统具有光谱分辨率高、成像质量好和结构合理等优点,点斑均方根直径与国内现有探测器像素尺寸匹配。     

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。