基于LCTF调谐的高光谱成像系统设计

提出一种新的轻小型高光谱成像系统,将液晶可调谐滤光片LCTF应用于高光谱成像技术,用电调谐的LCTF代替传统的机械滤光片转轮,在可见-近红外波段上可快速地实现波长的任意调谐。系统由光学镜头、LCTF和CCD探测器组成。文章首先详细描述了系统结构、光学设计及其工作原理;再利用该成像系统,以飞艇为平台进行了野外试验,获取了高光谱立体图像,所获取的图像有较高的空间分辨率和光谱分辨率;文章给出16个波段中546～600 nm的局部图像数据,最后对图像进行初步的数据处理,推导出地物420～720 nm的光谱反射率。试验验证了该成像系统的高光谱数据成像获取能力,成像数据可应用于光谱分析。     

可见光液晶光谱成像系统研究

利用向列相液晶材料的电控双折射效应,研制了用于可见光波段光谱调谐的大口径液晶可调滤光片,透过光谱测试表明,该滤光片在可见光波段(420~700 nm)以20 nm光谱分辨率可实现连续调谐和任意波长选择。利用该滤光片搭建了一种小型光谱成像系统,并在实验室内对若干样品进行了测试,结果表明,该系统可同时实现高图像分辨率和高光谱分辨率光谱成像,具备高、超光谱分辨率光谱成像的应用潜力,在生物医学、环境保护和资源探测等领域具有较好的应用前景。     

中药黄柏主要活性成分的光谱成像检测技术

为了实现中药主要活性成分的在体检测,运用光谱成像技术检测中药活性成分.使用自行开发的液晶光谱成像装置对中药黄柏的主要活性成分盐酸小檗碱进行了在体检测,选取紫外光源波长254 nm,获取了检品480～700 nm之间的连续荧光光谱图像.在分析检品光谱剖面图的基础上,以中国药品生物制品检定所提供的盐酸小檗碱标准品的光谱剖面图为依据,设计了高通滤波器得到了检品的特征光谱数据.对八种不同来源的市售黄柏饮片特征光谱,以及黄柏与其同科植物黄皮特征光谱的比较显示,使用本方法对中药进行定性、定量的检测,样品无需特殊处理,可在原生态的情况下进行;检测过程无损、实时;检测结果指纹特征明显.     

国外红外光谱连续变焦成像系统的研究进展

相比红外光谱定焦成像系统和红外光谱两档成像系统而言,红外光谱连续变焦成像系统具有连续变化的视场,可对目标进行连续成像,是未来红外光谱成像技术的发展方向。为了提高红外光谱连续变焦成像系统的探测性能、实现低成本、良好的消热差性能,近年来国外开发了一些新技术。概述了国外红外材料、红外探测器、冷光阑等方面的新技术,及这些新技术在红外光谱变焦成像系统中的具体应用,列举了使用新型红外材料实现消热差的红外目标探测连续变焦系统,中波红外、长波红外光谱双波段连续变焦系统,高变焦比红外光谱连续变焦系统,应用可变冷光阑技术的红外光谱连续变焦系统设计实例,作为国内红外光谱变焦成像系统发展的借鉴。     

荧光光谱法结合Fisher判别分析在西洋参鉴别中的应用

旨在建立可靠的Fisher判别模型,以实现西洋参及其常见伪品饮片的快速、客观、准确鉴别,采用自组的凝视式光谱成像仪,对90份不同市售来源的中药材饮片(西洋参、人参、桔梗各30份)进行了荧光光谱成像实验,波长范围为400~720 nm,成像间隔为5nm。采用标准正态变量(SNV)变换对原的光谱数据进行预处理,以减少光谱数据中的噪声干扰。比较了主成分分析(PCA)与逐步判别分析(SDA)的原理特点及对模型的优化效果,联合这两种分析方法,首先,应用PCA对预处理后的光谱数据进行处理,使光谱数据中的主要信息集中分布在前面的主成分中,然后应用SDA从65个主成分中筛选出判别能力较强的12个主成分建立Fisher判别模型。由所建模型的两个判别函数作样品得分散点图,各类样品在图中表现出良好的聚类现象。以待判样品点与各种类中心点之间的欧氏距离作为依据,得出模型的准确判别结果。结果显示,所建Fisher判别模型在训练集和预测集中的判别正确率分别为98.33%和 96.67%,具有较高的可信度与准确度,因此,荧光光谱法结合Fisher判别分析可用于快速鉴别西洋参及其伪品饮片。     

基于探测信号叠加的推扫式压缩多光谱关联成像

针对推扫模式下多光谱关联成像重构图像模糊、信噪比低问题,提出了一种利用探测信号叠加提高重构图像信噪比的多光谱关联成像方案.该方案基于稀疏约束关联成像光谱相机实验系统,通过单次曝光获得一帧探测信号,对前后帧连续探测信号进行错位叠加,计算出系统总探测矩阵,结合标定测量矩阵,采用压缩感知算法得到待测目标物体重构图像.数值模拟和实验结果表明:适当延迟曝光时间可以提高系统重构图像质量;相同曝光时间条件下,利用探测信号错位叠加的推扫10帧重构图像信噪比明显高于单帧多光谱重构图像.     

光谱成像技术无损鉴别西洋参饮片的研究

应用电可控液晶光谱成像装置,测定不同市售来源的西洋参饮片,以期为其质量控制提供新的方法。系统光谱分辨率5nm,光谱覆盖范围为405～680nm,空间分辨率50lp·mm-1。从成像光谱立方体中提取特征光谱曲线,构建饮片指纹图谱;采用主成分等聚类分析方法解析其指纹图谱,用于饮片真伪鉴别与质量判定。结果与性状,显微及理化鉴定结果相吻合。表明光谱成像分析技术可用于中药指纹图谱的构建和质量评价,操作方法简便、快速、无损。     

多光谱成像技术分析彩色艺术品的相关基础研究

多光谱成像技术集数字成像和光谱测量技术于一体,是一种记录光学信息的新型无损分析技术。基于对国内外文化遗产领域多光谱成像技术研究现状的分析,使用自行搭建的多光谱成像系统对敦煌壁画颜料模拟试板和现代国画在300~1000 nm范围内进行光谱图像采集,检验多光谱成像系统的适用性。结果显示多光谱图像能对外观相近的不同颜料做出快速区别,结合激光显微拉曼光谱技术,可进一步识别样品中颜料的种类;同时,多光谱图像还能够揭示具有紫外激发可见荧光特性的物质分布、画稿中的底稿信息、水渍痕迹等信息。实验表明多光谱成像技术可以有效获取彩色艺术品的多样化信息,在彩色艺术品研究领域具有良好的应用前景。     

紧凑型图像复分光谱成像系统光学设计及优化

从图像复分光谱成像系统的图谱输出理论模型出发,对已有16波段系统进行改进,研究了大相对孔径和结构紧凑型系统.模拟实现了16波段成像的整体设计与优化,对棱镜分光易造成图谱图像区域混叠问题进行了分析.采用光谱成像系统匹配结构形式,利用Zemax-EE的多重结构特性,设计了视场为±1.25°,相对孔径达到1∶3,系统结构尺寸约为220mm的图像复分光谱成像仪系统,且各个波长光学传递函数值均大于0.75.与已有等同空间分辨率的16波段图像复分光谱成像系统比较,所设计系统结构紧凑、衍射极限和通光能力明显改善、光谱质量大幅提高,可满足小型化需求.该研究为新型快照式光谱成像技术的理论研究和图像复分光谱成像仪的光学系统设计提供了依据.     

紧凑型空间外差成像光谱仪设计

设计了一种适合微小卫星平台应用的紧凑型空间外差成像光谱仪,该系统利用两套干涉结构将干涉条纹定域于系统外部,并将前置透镜的成像面与系统干涉面重合以获取目标的空间位置信息和光谱信息.根据系统轴上光表达式和奈奎斯特采样定律,给出了系统光谱分辨率和光谱范围与元件参数的匹配关系.通过光线追迹的方式,理论证明了干涉图定域位置,并推导了普适仪器函数表达式.针对氧原子气辉(O[1 D]630nm)星载测量,完成了该紧凑型空间外差成像光谱仪的系统设计和仿真,系统光谱采样间隔为0.762 3cm-1,光谱范围为601.674 9~631.324 6nm.最后通过搭建实验装置获取632.8nm激光光源的目标图像和复原光谱.仿真和实验结果表明:系统光谱采样间隔达到设计要求,且光谱分辨能力为20 822(@630nm);λ/4波长和线偏振器的装调误差(±1°)对系统干涉图调制度影响很小.该系统具有成像能力和光谱探测能力,可作为一种时空联合型干涉光谱仪使用.     

静态计算光谱成像仪图谱反演的关键数据处理技术

静态计算光谱成像技术中图谱反演环节是实现其理论优势极为关键的一步, 是决定最终获得图谱质量优劣的数据处理技术. 本文为此专注于计算光谱的图谱反演环节,对图像压缩感知理论算法、图像重构算法、 以及针对图谱三维数据的反演算法都开展了深入的研究和比较, 并结合所研制系统的图谱数据传输全链路和工程研制过程中误差等因素进行全面详尽的仿真验证, 给出各种图谱反演算法验证、分析结果. 指出静态计算光谱成像系统研制中图谱反演环节的关键数据处理问题,适合采用的算法及其优化路线. 为顺利研制静态计算光谱成像仪,保证其理论优势的实现,提供了详实的分析、参考依据. 关键词： 计算光谱 编码孔径 压缩感知 图谱反演     

紫外像增强器光谱响应特性测量方法研究

为了能及时测量自制紫外像增强器的光谱响应特性，设计了一套简便的测量紫外像增强器光谱响应的系统。该系统由专用光源室、光栅光谱仪、直流稳压电源、皮安电流计4部分构成。用光栅光谱仪配套软件直接读出光源每个波长对应的辐射功率；用皮安电流计直接测量出各个波长的光照射光阴极时光阴极产生的光电流，然后求出这2个比值并用Microsoft Excel 2003进行处理，得到光电流与波长变化的曲线，即相对光谱响应曲线。从曲线可以看出，该紫外像增强器的光谱响应范围为200nm～340nm，峰值响应在270nm附近，表明该紫外像增强器具有日盲特性。测试结果表明：系统不确定度＜10%。     

基于数字滤波的主动式高光谱成像系统及其波长标定

基于数字滤波技术,提出了获取物体反射光谱数据立方体和光谱响应曲线的主动式新型高光谱成像系统。对传统WDF型瓦兹渥斯反射式单色仪进行了改装,在入射光一定的情况下,增大出射光通量,提高了照射在物体表面的光强。利用数字滤波方式代替光学窄带滤波器,解决了多个光学滤光片不能连续可调和其他滤波器成本高的问题,建立了波长连续可调,带宽可调的高光谱成像系统。针对系统的特点和采集方式,提出了适当的定标方式,其波长误差2nm。得到了绿色树叶效果良好的光谱数据立方体和响应曲线,表明提出的系统适用于实验室中小视场内的光谱成像测量研究。     

软X射线全息平焦场光栅的条纹弯曲现象及其对光谱分辨率的影响

软X射线平焦场光栅光谱仪是等离子体诊断的重要仪器,其核心光学元件全息平焦场光栅通常采用非球面波记录光路制作,因此光栅条纹存在弯曲的现象.光栅条纹的弯曲会影响光谱成像质量,从而影响系统的光谱分辨率.记录光路的优化,只保证光栅子午面的线密度分布,因此优化的记录光路并不是惟一的,所以在保证子午面的线密度分布的同时能制作具有不同弯曲程度条纹的光栅.针对应用于0.8—6 nm的全息平焦场光栅,利用光线追迹方法分析了不同弯曲程度条纹光栅的光谱成像,发现采用柱面反射镜制作的接近于直条纹的光栅具有较好的光谱成像质量.相对于弯曲条纹的光栅,接近于直条纹的光栅理论光谱分辨率有明显的提高,入射波长为3 nm时,光谱分辨率从626提升到953,入射波长为5 nm时,光谱分辨率从635提高到1222.     

Multispectral Image Compression for Improvement of Colorimetric and Spectral Reproducibility by Nonlinear Spectral Transform

The article proposes a multispectral image compression scheme using nonlinear spectral transform for better colorimetric and spectral reproducibility. In the method, we show the reduction of colorimetric error under a defined viewing illuminant and also that spectral accuracy can be improved simultaneously using a nonlinear spectral transform called Labplus, which takes into account the nonlinearity of human color vision. Moreover, we show that the addition of diagonal matrices to Labplus can further preserve the spectral accuracy and has a generalized effect of improving the colorimetric accuracy under other viewing illuminants than the defined one. Finally, we discuss the usage of the first-order Markov model to form the analysis vectors for the higher order channels in Labplus to reduce the computational complexity. We implement a multispectral image compression system that integrates Labplus with JPEG2000 for high colorimetric and spectral reproducibility. Experimental results for a 16-band multispectral image show the effectiveness of the proposed scheme.     

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

 成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50 lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率<5 nm,MTF在50 lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80%的能量集中在Φ6 μm范围内,波长各视场在特征频率50 lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。     

基于铌酸锂双折射晶体的皮秒拍瓦激光系统光谱整形

为补偿皮秒拍瓦激光系统中钕玻璃宽带放大引起的增益窄化,提出了一种基于铌酸锂双折射晶体的高能量光谱整形方法.在相同强度调制下,对比了BBO、铌酸锂和石英3种晶体,针对1053 nm激光,选用了高双折射率、大口径且不易潮解的铌酸锂作为整形晶体.理论分析了晶体厚度、倾斜角、面内旋转角对强度调制的影响,发现它们分别决定调制的带宽、中心波长及深度.并对整形过程中晶体引入的光谱相位进行了分析,发现各阶色散量随晶体厚度、倾斜角、面内旋转角变化的规律,因此可通过上述参数控制各阶色散量.在此基础上,开展了中心波长为1053 nm、带宽为10 nm、调制深度为80%的光谱整形实验和相位测量实验,实验与理论分析相一致.针对神光Ⅱ皮秒拍瓦激光系统,利用上述整形方案,国内首次实现了1700 J, 6 nm (FWHM)的高能宽带激光输出,有效补偿了增益窄化.研究结果对国内基于钕玻璃放大系统的宽频带激光装置的工程研制具有重要意义.     

Testing technology of vacuum ultraviolet spectral radiance北大核心CSCD

The spectral radiance of vacuum ultraviolet (UV) target is of crucial significance to plenty of researches including deep space exploration and spacecraft damage test. Two types of test systems and methods for vacuum UV light sources were studied. Through the research of test method for vacuum UV spectral radiance, a corresponding test system was developed, which included vacuum UV standard light source, optical imaging system, light splitting module, vacuum UV detector module, vacuum chamber and data processing system. According to the direct measurement method and the comparative method, the spectral radiance of deuterium lamps was tested and analyzed, the influencing factors and the relative index error of vacuum UV spectral radiance were discussed, and the accurate measurement of vacuum UV spectral radiance in the five wavelength ranges of 121.2 nm, 135.6 nm, 160 nm, 180 nm, 200 nm at 0.01 μW/cm2·nm·sr~1 μW/ cm2·nm·sr was realized. The repeatability of the measurement is 0.001 34, which shows that the proposed test system can realize the test of vacuum UV signal. © 2022 Editorial office of Journal of Applied Optics. All rights reserved.