非均匀光强分布的反射式水下量子成像研究

在量子成像中,光源散斑强度的独立性与随机性影响了图像重建的质量,现用的赝热光源是由高斯分布的激光束调制而成。针对反射式量子成像技术中赝热光源的传输特性,结合水体散射理论,研究了重建图像的均方误差与光源光斑强度分布和光斑尺寸的关系,以及对常用的图像重建算法成像质量的影响,针对光强分布不均提出加权平均归一化算法。仿真结果显示,光斑强度分布越均匀成像质量越高,加权平均归一化算法能减小光强分布不均对成像质量的影响。所得结果有助于数字微镜空间光调制器的赝热光源反射式水下量子成像系统中对光源的优化和成像质量的提升。     

对全息照相实验的研究与改进

采用有良好散射性能的荧光塑料玩具为被拍摄对象,去掉了物光光路中的扩束镜,大大地提高了物光的光强;去掉了参考光中的扩束镜,利用平面镜毛面的漫反射,减弱参考光的光强,使调节物光和参考光光强比在1／2-1／5之间更加方便快捷。实践证明,这种改进提高了全息照相的质量,保证了全息照相实验的顺利进行,使得学生实验成功率大大提高,取得非常好的实验教学效果。     

一种用于光学成像系统的新型液晶相位调制器

研制出新型平行排列的二维阵列液晶相位调制器(LCPM),利用此相位调制器在Zygo干涉仪上进行了泽尼克(Zernike)多项式的产生和畸变波前调制的实验。能够很好地产生泽尼克多项式的前2~8项面形,用16项泽尼克模式对畸变波前进行了调制,峰谷(PV)值可由调制前的0.831λ减小到调制后的0.444λ,均方根(RMS)由调制前的0.181λ减小到调制后0.066λ,斯特列尔比(Strehl ratio,SR)由调制前的0.257达到调制后的0.844。实验结果表明,在光学成像系统中,利用平行排列的液晶相位调制器,进行波前像差的调制可以使成像质量得到很好的改善。     

光的量子相干性与光频率的超精密测量--2005年诺贝尔物理学奖评述

2005年的诺贝尔物理学奖授予了现代光学领域的科学家，其中诺贝尔奖的一半授予了哈佛大学的Roy J．Glauber教授，以表彰他在光的量子相干性理论方面的突出贡献，诺贝尔奖的另外一半授予了美国科罗拉多大学与美国国家标准技术研究院联合实验（JILA）的John L．Hall教授和德国慕尼黑大学教授、马克斯普朗克-量子光学研究所所长TheodorW．Hansch教授，以表彰他们在光的超高精密测量方面的突出贡献，文章介绍了三位诺贝奖得主的贡献及其意义．     

光的量子相干性与光频率的超精密测量*——2005年诺贝尔物理学奖评述

2005年的诺贝尔物理学奖授予了现代光学领域的科学家,其中诺贝尔奖的一半授予了哈佛大学的Roy J. Glauber教授,以表彰他在光的量子相干性理论方面的突出贡献,诺贝尔奖的另外一半授予了美国科罗拉多大学与美国国家标准技术研究院联合实验室（JILA）的John L. Hall教授和德国慕尼黑大学教授、马克斯普朗克－量子光学研究所所长Theodor W. Hnsch教授, 以表彰他们在光的超高精密测量方面的突出贡献.文章介绍了三位诺贝奖得主的贡献及其意义.     

部分相干光学成像系统的光学传递函数和像质评价准则

根据光学成像理论，建立了部分相干成像光学系统的光学传递函数。该函数与非相干成像光学系统传递函数相同，因而部分相干成像和非相干成像两者的光学系统波面像差公差标准也是相同的。这一点解释了显微镜光学系统的光学设计惯用法则：镜头像差公差标准的选择，并不因为采用成像照明方式的不同而有所差异。     

基于柱弥散光源体内辐照的前列腺扫描光声成像仿体实验

光声成像技术是一种非常有前景的前列腺早期检测与成像的新技术. 在现有前列腺光声成像技术中, 通常采用的腺体外光源辐照方式由于受外围组织的影响, 容易减弱深部前列腺组织的光能量吸收, 导致辐照范围减小, 引起光声成像深度不足, 难以实现无损前列腺癌的检测. 本文基于前列腺组织的结构特征, 依据一种以柱状弥散光纤在尿道对前列腺实施光辐照、并利用外置于直肠内的长焦区聚焦式超声换能器检测光声信号的前列腺光声扫描成像技术, 构建了光声成像实验系统, 开展了仿体实验. 测试结果表明, 系统能够实现样品中吸收体的定位和成像, 结合柱弥散光源体内辐照可使成像深度提高, 同时侧向成像范围也较大. 初步结果表明, 借助柱弥散光源进行体内光辐照的光声信号新激发方式结合长焦区超声探头在前列腺癌早期无创诊断上具有潜在的应用前景.     

基于统计光学的正负热光非定域成像

本文, 基于经典统计光学, 建立符合热光特性的统计模型, 通过数值模拟证明了吴令安和Meyers提出的图像重构算法, 并进行了定性的理论分析. 在关联成像获得的数据样本中, 根据桶探测器的光强涨落进行分组, 分别以某个阈值作为下限和上限, 再将分组后的独立样本和相应的面探测器信号进行强度关联, 则可以得到物体的正像或负像. 然而, 不经过关联运算, 直接对分组后的面探测器信号进行算数平均也可以得到物体的正像或负像, 同时成像的对比度得到较大提高. 这种分组对应的非定域成像进一步说明强度涨落在热光成像中的重要性. 最后以字符掩膜版作为成像物体, 分别运用关联成像和分组对应正负成像算法重构物体的图像, 实验结果证明这种新的正负算法可以提高非定域成像的对比度. 关键词： 统计光学 热光 关联成像 正负非定域成像     

AOTF成像光谱仪光学系统的最优方案选择

基于声光可调谐滤波器（AOTF）的成像光谱仪是一种新型的成像光谱仪,它除了具有一般成像光谱仪的二维空间信息与一维光谱信息外,还能获得目标的偏振信息。在实际应用中AOTF可接收的光束孔径角一般不大于5～6,因而受到所采用声光晶体可接收角度的限制,AOTF光谱成像仪的光学系统不能同时兼顾大孔径与大视场。要求AOTF成像光谱仪视场满足128128像元,TeO2晶体尺寸为10 mm10 mm,根据声光可调谐滤波器成像光谱仪光学系统的特点,分析比较了2种光学系统总体方案,最终将系统的孔径光栏放置在晶体上,TeO2晶体尺寸限制了孔径光栏的尺寸,晶体可接收的角度决定了系统的视场角,提高了能量利用率,获得较高的图像信噪比。     

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.     

光学微操纵过程的轴平面显微成像技术

光学俘获技术利用光与物质相互作用产生的光势阱效应来实现对微粒的操控,已经成功应用于生物医学、材料科学等交叉领域.在对微粒进行三维俘获时,传统的宽场光学显微技术只能观测到某一平面内微粒的横向运动,对微粒沿轴向运动的观测受到很大限制.本文将轴平面显微成像技术引入光学微粒操控研究中,利用45?倾斜的反射镜把微粒的轴向运动信息转换到横向平面进行观测,与传统宽场显微成像技术相结合,实现了对二氧化硅小球俘获过程横向和轴向运动的同步观测.该成像方法无需扫描和数据重构,具有实时快速等优点,在新型光束光镊、厚样品三维观测和成像等领域具有潜在的应用价值.     

高成像质量Offner成像光谱仪的理论分析与研制

以双镜系统为基础构建了Offner成像光谱仪,并利用光程函数来获得一种Offner成像光谱仪的初始结构.通过光学设计软件Code V对该初始结构进行了仿真与优化,优化后的光谱仪具有高成像质量,其均方根点列图直径明显降低,调制传递函数曲线在子午像与弧矢像上都获得了好的成像效果.该研究免去了过于复杂的像差推导过程,并在宽光谱400~1 300nm条件下获得了具有高成像质量的Offner光谱仪结构,为光谱仪的搭建提供了理论基础.     

高分辨率开环液晶自适应光学视网膜成像系统

利用液晶空间光调制器和夏克-哈特曼波前探测器作为核心器件搭建了一套开环双光源液晶自适应光学视网膜成像系统。系统采用人眼屈光0D基准设计并使用动态视标定位人眼,提高了人眼在测试时的稳定性,有效降低了由不同人眼个体差异带来的影响。通过补偿镜预补偿,配合微调照明光焦面,使照明光聚焦在眼底视觉细胞层,保证了像差探测精度和成像质量。利用人眼的偏振特性,采用偏振光照明的方式,将系统的能量利用率提高了20%。优化了系统的工作流程,优化后系统连续工作频率可超过20Hz。对4名志愿者进行了实验,均获得了清晰的眼底视网膜细胞图像。     

开环双脉冲液晶自适应光学视网膜成像系统

为了获得高分辨率视网膜图像,利用液晶空间光调制器作为波前校正器建立了一套开环液晶自适应光学视网膜成像系统。与闭环模式相比,采用开环模式后,系统的能量利用率提高了1倍。系统采用双脉冲照明方式,以减少人眼曝光量,保护人眼安全。在照明光学系统中加入了大小视场切换装置使成像视场由之前的0.8°增至1.7°。同时优化了系统的时序控制流程,对人眼像差连续校正的同时快速调节成像相机的前后位置至最佳像面。对于开环模式对动态人眼像差的校正精度进行了测量,实验测得,经开环校正后,残差波面的均方根值约为0.09λ;相应的斯特雷尔(Strehl)比高于0.70,系统分辨率接近光学衍射极限的分辨率。对两名志愿者进行了实验,获得了清晰的眼底视网膜细胞图像。     

大口径红外成像系统的光学设计

推导了以反射式两镜系统为主体的红外成像系统中满足光瞳匹配要求的转像透镜的高斯光学参量与两镜系统参量的关系式。当选定红外焦平面的冷屏直径及到焦面的距离后，转像透镜与两镜系统的高斯光学参量之间必须满足这个关系式，才能做到光瞳匹配，这就是冷屏为系统的出瞳．而入瞳是主反射镜的口径。消像差由主镜、副镜的非球面及转像透镜上的一个非球面承担。用实例计算验证了所推导出的公式的可靠性，红外系统的口径取为250mm，红外接收器的冷屏直径为5mm，冷屏到红外像面的距离为20mm。两镜系统主镜的曲率半径选定为-1000mm及-800mm两个值，两镜系统焦距为2000mm，1500mm及1000nm三个。共计算了六种结构参量不同的系统。     

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.     

采用放大的自发辐射光源测试光学薄膜的损伤阈值

提出了一种精确评估光学薄膜损伤阈值的方法。放大的自发辐射(ASE)光源由于时间相干性和空间相干性较差,所以在近场区域光场强度分布均匀,聚焦后远场也没有被非均匀调制。采用ASE光束作为光学元件损伤阈值测试的辐照光源,可以提高辐照光源的均匀度,实现对光学薄膜损伤阈值的精确评估。ASE光源由神光II高功率激光装置的一级钕玻璃棒状放大器输出,脉宽经过光电开关调制后为9ns,能量输出在几毫焦耳到几十焦耳范围内可调节,光谱半峰全宽(FWHM)为1nm。根据标准ISO-11254,实验获得ASE测试TiO2高反膜的损伤阈值为15.1J/cm2,高于激光测试样品的损伤阈值7.4J/cm2(脉宽为9ns时),更准确地评估了样品的损伤阈值。     

光电成像系统性能模型的研究分析

论述光电成像系统性能模型研究的作用和重要意义。对光电成像系统中最具代表性的微光夜视系统和热成像系统的性能模型进行了重点研究。详细分析微光夜视系统和热成像系统性能模型研究发展的过程和历史，分别指出微光夜视系统和热成像系统现有性能模型存在的局限和不足。介绍作者新提出的人眼“量子探测器和线性滤波器综合视觉模型”和新导出的微光夜视系统视距探测方程。在对热成像系统现有的探测理论和性能模型分析研究的基础上。提出普遍适用于一代、二代热成像系统的新的阈值预测理论、视距探测方程和性能模型的设想。     

大视场Ritchey-Chretien光学系统的间接成像方法

Ritchey-Chretien(R-C)光学系统广泛应用于航空和航天等远距离探测领域,因其视场较小,所以通常采用附加光学元件的方法实现大视场成像,但这会导致结构复杂,不利于系统实现小型化和轻量化。鉴于此,提出一种R-C系统间接成像方法。首先分析系统的像差特性,接着基于波前像差理论和Zernike多项式构建波前模型,然后通过傅里叶变换建立PSF模型,最后结合反卷积算法处理图像。在仅采用主、次镜的情况下,可以实现R-C系统大视场成像。对焦距为1300 mm、全视场为0.9°和F数为4的R-C光学系统进行仿真模拟。模拟结果表明,所提方法的MTF在频率为40 cycle/mm处平均提升约为0.25,成像质量显著提升。