哈达玛变换光谱仪混合像元解混方法研究

哈达玛变换光谱成像仪是一种采用多通道探测的数字变换光谱技术,介绍了基于数字微镜阵列器件(DMD)的哈达玛变换光谱仪工作原理与仪器结构,对成像传感器所获得的混合像元进行了分析研究,理论推导出了混叠像元的解混合方法,仿真实验结果表明该方法简单有效,对提高混合像元复原光谱精度超过10%。     

数字微镜器件(DMD)杂散光特性测试方法及装置

为了获得数字微镜器件(DMD)的真实光学特性,提出了微镜单元杂散光分布测试方法,并搭建实验装置对2×2阵列区域微镜单元的杂散光分布情况进行测试.提出了一种杂散光测试方法,并针对微镜单元尺寸小、配置方式灵活的特点,设计了汇聚光斑大小连续可调的照明系统以及可以对微镜单元清晰成像的成像系统.通过实验得到了2×2阵列区域微镜单...     

一种基于集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T结构的微型近红外光谱仪

近红外光谱分析技术在航空航天、生物医药、环境检测、食品安全等众多领域均有广泛应用。高性能、微型化、低成本近红外光谱仪是制约基于近红外连续光谱分析的微小型检测装备发展的主要瓶颈，是当前光谱仪发展的主要研究方向。提出了一种基于微光机电系统(Micro-optical electro-mechanical system, MOEMS)集成扫描光栅微镜和改进型非对称式切尼-特纳(Czerny-Turner, C-T)光学结构的微型近红外光谱仪系统结构，分析了光谱仪系统和集成扫描光栅微镜的工作原理，基于光栅相关参数和光谱仪性能指标要求确定了集成扫描光栅微镜最大扫描角度。分析了改进型非对称式C-T初始光学结构像差，基于ZEMAX光学设计平台完成了光谱仪光学系统的仿真和优化设计，确定了系统关键参数。仿真分析了平凸柱面透镜对改进型非对称式C-T光学结构系统分辨率、检测灵敏度等性能参数的影响。基于仿真优化结果，完成了微型近红外光谱仪机械结构设计、加工与装调，搭建实验平台完成了光谱仪相关性能参数测试。结果表明，设计的基于MOEMS集成扫描光栅微镜和改进型非对称式C-T光学结构的微型近红外光谱仪，采用重庆大...     

面向微型近红外光谱仪的高效扫描光栅微镜设计（英）

近年来,随着微光机电系统(MOEMS) 技术的快速发展,光谱仪朝着微型化、低成本、高性能方向发展。基于MOEMS技术制作的闪耀光栅可集成于扫描微镜,其作为近红外光谱仪的核心部件,可实现单管探测器代替昂贵的阵列式探测器,以降低近红外光谱仪成本与体积。设计了一种高性能扫描光栅微镜,以提高光谱仪的探测灵敏度。扫描微镜表面集成高衍射效率光栅,背面制作电磁驱动线圈。采用光学软件与有限元方法对器件参数进行优化。仿真结果表明:扫描光栅微镜谐振频率为484.38 Hz,最大扭转角度为4.55,在800~1800 nm工作波长范围内,整体动态衍射效率在54%以上且最大值达90%。     

主动照明强度相干成像散斑效应仿真及实验研究

简述了强度相干成像原理,分析了照明激光散斑效应,并仿真了散斑效应对频谱模值的影响,利用数字微镜阵列设计实验,根据自适应望远镜测得的波前数据设置数字微镜阵列翻转状态,对不同目标采集光强涨落信息,利用基于先验信息的迭代算法进行图像恢复.结果表明:目标散斑光场强度涨落服从负指数分布;散斑光场使得目标频谱模值高频部分出现误差;利用基于先验信息的迭代算法能较好地恢复目标图像,目标恢复图像峰值信噪比最高可达29.87dB.     

基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计

为了实现傅里叶变换成像光谱仪的静态化与高通量,提出一种基于多级微镜的时空混合调制成像光谱仪,其干涉系统是利用一个多级微镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面镜,其显著特点是无运动部件和限制系统光通量的狭缝,可同时获得目标的干涉图与二维空间图像。该成像光谱仪利用前置成像系统将目标成像到干涉系统的平面镜与多级微镜上,利用多级微镜的结构特点对两成像光束的光程差进行调制,然后通过后置成像系统获得不同干涉级次的目标图像。首先通过对该成像光谱仪干涉系统光谱信噪比的分析,明确了光谱信噪比与图像信噪比之间的关系,确定了多级微镜的特征参数。为了确保每个阶梯面所对应光程差的恒定性,通过对前置成像系统成像过程的分析,确定了前置成像系统像方远心的光路结构;通过对系统视场角与光程差之间关系的分析和计算,确定了前置成像系统的设计指标并完成了光学设计。为了保证后置成像系统不引入额外的光程差,通过对后置成像系统成像特点的分析,确定了后置成像系统双远心的光路结构;通过对系统入射孔径角与阶梯级数之间关系的分析和计算,最终设计出满足系统性能需求的后置成像系统。通过对各单元系统的理论分析与光学设计,为静态化与高通量成像光谱仪的发展提供了一种新的思路。     

Offner型凸面光栅宽动态范围辐射定标光源设计

为满足在各种谱线分布下对遥感仪器的光谱辐射定标,减小辐射定标光源对空间光学遥感仪器定标系数的影响,解决目前辐射定标光源光谱模拟精度低、光谱动态调节范围小的技术难题,本文从光谱叠加理论出发,根据多光谱合成原理,提出一种凸面光栅的Offner型宽动态范围辐射定标系统的设计方法。通过推导Offner型光谱成像光学结构的消像散条件,设计了一种柱面镜Offner型光谱成像光学系统,实现了宽光谱光束的精确细分,建立了数字微镜与其阵列面空间光谱辐射分布的映射关系。利用数字微镜的空间光调制特性,实现了辐射定标光源光谱分布大动态范围模拟。实验表明,辐射定标光源相邻单位阵列微镜的输出光谱峰值间隔小于0.5 nm,3种典型色温T=3 000 K、T=5 000 K和T=7 000 K光谱模拟精度分别为5.2%、4.1%和3.2%。本文提出的设计方法有效提高了辐射定标光源的光谱模拟精度,减小了光谱不匹配对空间光学遥感仪器定标系数的影响。     

全景环形成像傅里叶变换光谱仪光学系统设计

提出了一种可以实现红外全景环形光谱成像的新型傅里叶变换成像光谱仪结构,该成像光谱仪以共焦双曲反射镜组作为全景环形集光器,利用Schwarzchild物镜进行准直,结合弹光调制干涉仪,成像透镜组以及HgCdTe红外焦平面阵列构成。介绍了全景环形成像傅里叶变换光谱仪基本工作原理及成像特性,讨论了双曲面反射全景环形集光器和Schwarzchild物镜准直器等各光学结构的设计方法,并给出了设计结果及优化方案。最后,采用Zemax光学设计软件对系统进行了光线追迹和优化,结果表明,成像光谱仪工作在8 ｍ~12 ｍ波段,有效焦距为-0.67 mm,侧向视场为40~80,F#0.9,像点弥散斑RMS半径为20.116 m,在一个像元直径内,MTF在16 lp/mm处均高于0.5,且各视场一致性较好,OPD像差在0.4范围内,成像质量良好。     

环形静电排斥旋转驱动器微光机电系统微镜北大核心CSCD

微光机电系统(MOEMS)微镜在激光显示、光束扫描、自适应光学等领域都有重要应用。现有的MOEMS微镜驱动器一般为静电吸引型,难以克服其吸合效应造成的各种问题,同时,方形的驱动器难以与圆形的镜面形成良好匹配,填充比较低。提出了一种环形静电排斥驱动器的MOEMS微镜,该静电排斥驱动器以环形排列,并围绕在镜面的周围,达到了与圆形镜面的良好匹配。所设计的微镜口径为204μm,并利用PolyMUMPS表面工艺进行加工。模拟仿真及实验测试结果显示,该微镜具有0.62°的最大旋转角,494μs的响应时间和1.191kHz的工作带宽,适用于一般光束扫描等的应用需求。     

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.     

空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪研究

针对目前环境、医疗、空间、气象、军事及安全等领域对傅里叶变换红外光谱仪微小型化、轻量化及固态化的迫切需求,提出并研究了一种以MOEMS多级微反射镜为核心器件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪。在理论研究方面,建立了空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪的物理模型,探究了该系统的光场分割与空间采样的光学原理;分析了多级微反射镜的衍射效应,提出了一种通过补边抑制衍射噪声抑制方法;进行了多级微反射镜采样误差的分析,并提出了基于最小二乘拟合的修正算法;通过对光源空间相干性、准直系统像差以及入射光场均匀性的分析,确定了光学系统的总体设计指标;通过对多级微反射镜基片加工精度、分束器材料色散特性和膜层透射效率等的计算分析,确定了干涉系统的设计方法与技术参数。在核心技术方面,提出了两个多级微反射镜的3种制作方法,分析了制作误差的来源及对系统性能的影响。通过工艺设计及实验条件探索,分别采用电铸法、真空镀膜法以及斜面倾角叠片法制作了两个多级微反射镜。在系统设计方面,进行了红外准直与缩束系统的光学设计,对整体光机系统进行了建模仿真,分析了杂散光噪声的来源。在图谱处理方面,利用过零采样方式,通过图像分割算法,获取了干涉图采样序列;通过对干涉图序列的插值、补零、延拓与卷积方法,完成了光谱相位误差的校正;通过离散傅里叶变换解调,实现了由干涉图像到信号光谱的数据反演。最后研究了系统光机整体的集成组装技术,并对原理样机进行了实验测试。本文研制的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪的特点在于:取消了动镜驱动机构与采样控制机构,具有微小型与轻量化的特点;干涉图的采样由多级微反射镜完成,其空间采样的方式增加了系统的稳定性与可靠性,实时采样的特点增加了系统的快速性与有效性;多级微反射镜阵列采用MOEMS工艺技术制作,增加了系统的采样精度。该光谱仪系统的结构及制作方法具有自主知识产权,并具有广阔的应用前景。     

Design and experiment of spectrometer based on scanning micro-grating integrating with angle sensor

A compact, low cost, high speed, non-destructive testing NIR (near infrared) spectrometer optical system based on MOEMS grating device is developed. The MOEMS grating works as the prismatic element and wavelength scanning element in our optical system. The MOEMS grating enables the design of compact grating spectrometers capable of acquiring full spectra using a single detector element. This MOEMS grating is driven by electromagnetic force and integrated with angle sensor which used to monitored deflection angle while the grating working. Comparing with the traditional spectral system, there is a new structure with a single detector and worked at high frequency. With the characteristics of MOEMS grating, the structure of the spectrometer system is proposed. After calculating the parameters of the optical path, ZEMAX optical software is used to simulate the system. According the ZEMAX output file of the 3D model, the prototype is designed by SolidWorks rapidly, fabricated. Designed for a wavelength range between 800 nm and 1500 nm, the spectrometer optical system features a spectral resolution of 16 nm with the volume of 97 mm × 81.7 mm × 81 mm. For the purpose of reduce modulated effect of sinusoidal rotation, spectral intensity of the different wavelength should be compensated by software method in the further. The system satisfies the demand of NIR micro-spectrometer with a single detector.     

用于激光定向红外对抗的光学系统设计

依据机载光电武器小型化、轻量化的发展需求,设计了一套激光红外共光路光学系统。其中红外系统波段为3 μm～5 μm, F数为2,采用中波640×512 pixel的面阵探测器, 像元尺寸为15 μm×15 μm,激光发射与红外光路共用望远系统,光学系统利用立方棱镜实现方位360°和俯仰0°～90°范围的扫描,采用共光路设计可减小光路中反射镜和透镜等零件的尺寸,具有结构紧凑、质量小等特点。重点针对共光路中光学元件引入激光后向散射的问题,采用CODE V和LightTools联合优化的方法避免其影响,保证光学系统成像性能优良。     

基于二元光学的红外成像光谱仪离轴系统设计

对Lyons采用二元光学元件的红外成像光谱仪的设计理论进行了分析，为消除其二元光学元件作为透射式成像元件导致的焦距随波长的变化而变化的缺陷.提出将离轴三反射镜系统与具有二元光学透镜的变焦距系统相结合的新技术方案，并从军事目标的红外热探测的基本要求出发，给出了具体的设计实例.设计结果表明，系统具有设计精巧、结构简单、光能接收率高、消像差特性好、对材料的要求低以及满意的红外焦平面凝视阵列探测器的配准精度和探测精度.     

拉曼光谱编码的荧光液相生物芯片检测系统研究

随着医疗诊断需求的增加,生物分子检测技术越来越受到人们的重视,液相生物芯片技术作为一种高通量,多通道的分子检测手段在近几年得到了飞速发展。通过层层自组装方法制备以微片为载体的拉曼光谱编码液相生物芯片,并利用自行搭建的一套高灵敏度、高分辨率的光学系统,实现对液相生物芯片的定性与定量分析。光学系统由拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统耦合而成。在拉曼光谱检测系统中激光器发射出785 nm波长的激光,通过二向色镜,带反反射镜与物镜汇聚到样品上,样品产生的拉曼散射光,经物镜,带反反射镜,二向色镜与拉曼滤波片,最后通过凹透镜聚焦到光谱仪的狭缝上,光谱仪色散实现在线阵CCD上拉曼光谱的获取。荧光显微成像系统应用光学成像原理,通过调节凹透镜与405 nm的激发光之间的距离,使激发光通过物镜均匀的照射到样品之上,样品激发出的荧光,通过物镜,带反反射镜,二向色镜,滤波片与相应的凹透镜,最后成像到面阵CCD上。改进传统便携式拉曼光谱检测系统光路并选用相应波段的带反反射镜与焦距20倍的物镜完成拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统的耦合。为了减少两路系统之间的相互影响选用合适的二向色镜以及滤波片,在提高耦合系统获取数据的准确性中有着重要的作用。该系统通过对反应之后的液相生物芯片进行拉曼光谱检测,以完成对每个编码玻片的定性识别,即解码;同时激发反应后液相生物芯片的荧光并采集荧光强度图,根据每个解码玻片上的荧光强度值完成对目标检测物的定量分析。区别于传统荧光编码液相生物芯片, 拉曼光谱编码具有稳定性更强,光谱分辨率更高等优点。该光学系统集拉曼光谱检测系统与荧光显微成像系统于一体,解决了目前未有基于拉曼编码的液相生物芯片的检测系统的问题,并且可同时对多种目标物进行识别和定量分析,提升了实验结果的准确性。     

傅里叶变换红外光谱仪扫描成像系统被动遥测火焰红外图像

介绍了一种傅里叶变换红外光谱仪扫描成像系统,并用该系统测量了放在平台上的3盏普通实验用酒精灯的火焰红外发射谱,选择位于大气窗口内的波数为900～1 000 cm-1波段,利用普朗克定律,反演出了每条光谱对应的相对温度。实验中每一个光谱对应一个扫描位置即像素点,把这些温度数据通过Matlab软件绘制出了扫描范围内的红外图像。将红外图像叠加在视频图像之上,两者吻合得非常好,清楚地显示了3个火焰的位置。     

基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法.仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息.某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上.平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息.根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°.利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原.针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法.为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间.对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作.复原光谱分辨率为194 cm-1,优于设计指标(250 cm-1).     

基于平板波导的小型红外光栅光谱仪光学设计

为实现红外光谱仪器的小型化,通过分析现有小型光谱仪,提出了一种基于平板波导的小型红外光栅光谱仪的设计方法。平板波导光谱仪的小型化原理与一般的微小型光谱仪不同。在平板波导光谱仪中,光束被限制在一层薄薄的平板波导介质中传播,看起来像是整个光学系统被压扁了。在垂直于平板波导的方向上光学元件的尺寸可以做到很小,从而显著减小光学系统的尺寸。该系统的设计可分为Czerny-Turner结构设计、波导结构设计。先根据像差理论设计Czerny-Turner结构,目标是保证光谱分辨率及校正像差;然后根据几何光学理论设计波导结构,包括平板波导和两个柱面透镜,目标是压缩光束并校正像散;最后将它们输入Zemax软件中进行综合优化,以获得最优的光学系统。据此方法设计了一个平板波导红外光栅光谱仪,工作波段为8~12 μm,数值孔径为0.22,采用线阵探测器。通过Zemax软件对结果进行分析和评价,表明仪器光学系统的尺寸为130 mm×125 mm×20 mm,工作波段内光谱分辨率达到80 nm,满足设计指标要求。证明了该优化设计方法是可行的,所得系统尺寸小、性能高。     

电离层遥感远紫外成像光谱仪光学系统设计

基于Czerny-Turner分光结构的成像光谱仪光学系统,介绍了一种用于电离层观测的远紫外成像光谱仪光学系统设计方法。分析了该结构的像差来源,提出了使用发散光照明光路的消像差方法,计算了像差校正条件。设计了工作在120～180nm波长范围内的远紫外成像光谱仪光学系统,视场角为6.0°×0.1°,焦距为121.8mm,F数为6.2。利用调制传递函数(MTF)和成像仿真分析的方法对该系统的主要性能参数进行了评价,验证了设计的成像光谱仪的光谱分辨力优于1.0nm,空间分辨力优于0.1°,完全满足电离层观测的应用要求。与同类设计相比,该系统不含非球面光学元件,加工装调简单且易于工程实现。