超分辨望远光学系统像差影响及优化设计

针对大口径光学系统中像差影响超分辨效果的问题,开展泽尼克波前像差对望远超分辨成像系统性能和超分辨局部视场影响的研究。设计四区型位相光瞳滤波器,在理想光学系统出瞳处分别加入离焦、像散、彗差和球差像差,逐渐增加幅值,通过分析不同类别和幅度的波前像差下焦面光强分布变化,研究超分辨成像性能和局部视场对不同种类像差的容忍程度。结果表明,离焦可以抑制超分辨旁瓣能量,提高超分辨倍率,但对局部视场影响较大;球差可以抑制超分辨旁瓣能量,增大局部视场;像散和彗差使光斑圆对称性明显下降,其中像散对局部视场的影响较为明显;同时加入适量离焦和球差时,超分辨旁瓣能量下降,超分辨倍率提高,且不影响系统局部视场。据此设计了一个F数为10,焦距为12 m的大口径光学系统,通过合理优化球差和离焦剩余量,实现了超分辨倍率由1.21倍到1.31倍的提升,最大旁瓣峰值由0.33下降到0.30,局部视场为38.28μm。     

复振幅光瞳滤波器的三维超分辨性能研究

超分辨技术中现有的纯振幅型或纯相位型光瞳滤波器,大部分只能实现轴向或横向超分辨而不能实现三维超分辨,三维超分辨在三维成像系统中有着重要的作用。因此为提高成像系统中的三维分辨能力,设计了一种复振幅光瞳滤波器,并对其三维超分辨性能进行了研究。详细分析了该光瞳滤波器的第一区半径和透射率对施特雷尔比、轴向和横向超分辨因子以及旁瓣能量的影响。通过一系列的模拟证明,借助于复振幅光瞳滤波器可以实现三维超分辨。该滤波器的优点是容易实现三维超分辨,且有比较高的施特雷尔比,缺点是三维超分辨的实现总是伴随着旁瓣能量的增加,但可以采用共焦扫描成像系统来加以抑制。     

双Toraldo光瞳的共焦系统

Toraldo光瞳是超分辨中研究最多的光瞳之一.不过，由于实际中在制作精确度以及制造效率上的限制，它的应用受到了很大程度的制约.提出了双Toraldo光瞳的共焦系统，它能够用两个相对容易制作的Toraldo光瞳实现多区复杂Toraldo光瞳的功能. 关键词： 超分辨 Toraldo光瞳 共焦成像     

大气湍流对航空光电侦察图像质量影响因素分析北大核心CSCD

大气湍流效应是严重影响航空光电侦察系统图像质量的重要因素之一。从大气湍流参数描述出发,研究了大气湍流对光学系统成像质量的影响机理,分析了大气湍流影响光学系统调制传递函数(modulation transfer function,MTF)的影响因素,建立了大气湍流影响光学系统成像MTF的理论模型。仿真结果表明,在大气湍流影响下,光学系统光瞳口径与大气相干直径的比值对光学系统成像MTF影响较大。通过光学系统地面外场实验图像测试对比,验证了实际光学系统受到大气湍流影响后的成像MTF理论模型。研究结果可为大气湍流影响下的航空光电侦察系统设计及提升其成像质量提供理论支持。     

多项式型相位光瞳滤波器实现三维超分辨

为研究连续型相位光瞳滤波器对光学成像系统成像效果的影响,并实现对远场光学成像系统分辨率的提升,设计了一种多项式函数形式的相位型光瞳滤波器,证明其可以实现三维超分辨.给出了其与一种典型三区型相位光瞳滤波器的超分辨效果的对比.通过对比可以发现,在分辨效果的改善上,横向分辨率有明显提升,但施特雷尔比会有所下降.此外,由于此种...     

基于同心多尺度成像的机载光电系统探测能力分析

同心多尺度成像技术为突破传统光学成像中分辨率与视场之间的矛盾提供了一条有效的途径。将同心多尺度成像模式应用于机载光电探测系统,实现机载广域宽视场高分辨目标探测。综合分析了目标辐射空间分布、目标辐射传输和光学系统成像等特性,建立了表征同心多尺度成像系统的探测能力理论模型,得到了系统探测能力与组成单元透镜的口径、焦距、间距等参数之间的变化关系。并用光学设计软件Zemax设计了实际光学系统,数值模拟了空中来袭运动目标的光谱信号信噪比(SNR)响应特征。结果表明合理增加同心多尺度成像系统中的物镜焦距、减小目镜焦距、增大系统口径和降低探测信噪比阈值等能够有效提高成像系统的探测能力。     

红外变焦投影光学系统的设计

根据外场测试要求,设计一套精确变焦的大口径投影光学系统,为系统性能测试评估提供远场至近场的目标成像模拟,系统由精确变焦系统和大口径投影系统两部分组成。根据被测系统口径及所成像点大小要求,在保证光瞳衔接和口径匹配的前提下,对大口径投影光学系统和精确变焦系统进行了光学参数计算和像质优化。变焦系统工作波段为8 m ~12 m,变倍比为16x,大口径投影光学系统口径为300 mm,模拟实验结果表明,该系统在变焦过程中像面稳定,各焦距位置MTF曲线接近衍射极限,满足外场测试实验要求。     

基于矢量像差理论的离轴反射光学系统初始结构设计

传统的离轴反射光学系统初始结构设计方法是先求取轴对称反射光学系统结构,然后通过光瞳离轴、视场离轴或二者结合的方法实现无遮拦设计.由于同轴光学系统像差分布规律不适用于离轴光学系统,因此离轴后的反射光学系统结构像差较大,而且系统无遮拦设计过程复杂.本文提出了一种基于矢量像差理论的离轴反射光学系统初始结构设计方法,可以直接获取光瞳离轴、视场离轴或二者结合的无遮拦离轴反射光学系统初始结构.该方法可以获得较好的离轴反射光学系统初始结构供光学设计软件进一步优化.针对面阵探测器,设计了一个长波红外离轴三反光学系统,通过光瞳离轴和视场离轴实现无遮拦设计,光学系统成像质量好,反射镜不存在倾斜和偏心,光学系统易于装调.     

可调谐位相型光瞳滤波器的横向光学超分辨和轴向扩展焦深

为克服传统光瞳滤波器的缺点，实现系统光学超分辨性能的可调谐性，设计了一种新型可调谐的位相型光瞳滤波器.该光瞳滤波器包括两个λ/4波片和置于其间的λ/2波片，其中λ/2波片分为两个可作相对旋转的区域.研究结果表明，通过旋转λ/2波片的任意一区域不仅可以实现系统横向光学超分辨能力的可调性，而且可以在横向分辨能力提高的同时实现光学系统轴向焦深的扩展以及轴向焦移.     

光瞳离轴自由曲面光学系统像差特性分析

基于节点像差理论,提出了以泽尼克多项式为表征函数的光瞳离轴自由曲面光学系统像差分析方法,推导了光瞳离轴自由曲面系统的三阶像散和彗差解析表达式,分析了自由曲面对光瞳离轴系统像差节点分布的影响。根据像差分布特性,有针对性地选取和优化泽尼克系数,设计了一个光瞳离轴自由曲面空间天文光学系统,系统有效焦距为25m,口径为2m,视场为1.2°×1.2°。自由曲面的引入,使系统三阶像散和彗差节点重新回到视场中,不仅平衡了系统光瞳离轴引起的非对称像差,而且有效控制了全视场内点扩展函数(PSF)椭率,减小了星体观测时的测量误差。系统成像质量接近衍射极限,满足使用需求。     

压缩感知光谱成像技术的编码孔径与探测器匹配优化

编码孔径光谱成像仪在实际应用中存在着编码模板与探测器分辨率不匹配从而降低系统分辨率的问题。针对该问题进行了两种情况分析,并通过数学理论建模给出了相应的解决方案。对于编码模板分辨率高于探测器分辨率这一情况,提出引入邻域嵌入超分辨技术的方法,实现了基于压缩感知的超分辨光谱成像。对于编码模板分辨率低于探测器分辨率这一情况,提出区块阈值划分的编码孔径,将编码微元按照区块阈值重新划分并进行灰度分级,从而实现低分辨率编码模板的高分辨率编码孔径。利用梯度投影稀疏重构(GPSR)算法进行数据立方体重建,实验结果表明:运用基于超分辨理论的编码孔径快照光谱成像系统所测得的光谱图像更精准,内容更丰富;采用基于区块阈值划分的编码孔径的编码孔径快照光谱成像系统具有更高的空间分辨率和光谱分辨率。结果证实优化后的编码孔径快照光谱成像系统,其分辨率和成像质量大幅度提升,并实现了高分辨率元件的100%利用。     

高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用

大到天文光学望远镜观察浩瀚的宇宙, 小到光学显微镜探察细微的纳米世界, 光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着至关重要的角色. 看得更远、看得更细、看得更清楚是人们不断追求的目标. 传统光学理论已证明所有经典光学系统都是一个衍射受限系统, 即光学系统空间分辨率的物理极限是由光的波长和系统的相对孔径(或数值孔径)决定的. 能否突破这个极限？能否不断提高光学系统的成像分辨率？围绕着这个问题, 本文综述了近年来开展的各种光学高分辨和超分辨成像技术, 及其在空间探测和生物领域中的应用.     

Multiple image encryption using an aperture-modulated optical system

A multiple image cryptosystem based on different apertures in an optical set-up under a holographic arrangement is proposed. The system is a security architecture that uses different pupil aperture mask in the encoding lens to encrypt different images. Based on this approach multiple encryption is achieved by changing the pupil aperture arrangement of the optical system among exposures. In addition to the classical speckle phase mask, the geometrical parameters characterizing the apertures are introduced to increase the system security. Even when an illegal user steals the speckle phase mask, the system cannot be broken into without the correct pupil geometrical parameters. The experimental set-up is based on a volume photorefractive BSO crystal as storing device. Information retrieval is done via a phase conjugation operation. We also have to stress that the multiple storage under this scheme, is only possible with the help of the aperture mask. Simulation and experimental results are further introduced to verify the proposed method.     

超分辨近场结构光盘读出信号的计算模型

给出了超分辨近场结构光盘(Super RENS)读出信号的计算模型。以时域有限差分法为基础,结合高斯光束矢量模型和衍射方法,通过计算得到了物镜出瞳上的读出信号。计算结果表明,Super RENS具有超衍射极限的空间分辨能力,并且其读出信号的特征完全不同于传统光盘。     

基于大数值孔径环形光锥照明的超分辨光学 显微成像方法研究

提出和发展了一种基于大数值孔径环形光锥照明的远场超分辨光学显微成像新方法, 采用将发光二极管(LED)面光源、窄带滤光和环形光锥照明相结合的特种照明方式, 实现超分辨显微成像. 建立了大数值孔径环形光锥照明成像的物理模型, 根据标量衍射理论, 在不同环形光锥照明时, 推导出光学显微系统像面衍射斑光强分布的理论计算公式; 通过Matlab求解和绘图, 得到衍射斑光强的分布图样, 从理论上证明这一成像方法可以有效提高光学显微镜的分辨率; 建立了相应的显微成像系统, 通过实验验证了该方法可有效改善显微镜的成像质量, 显著提高分辨率; 在中心波长450 nm、环形光锥数值孔径1.125—1.25时, 实验获得的分辨率至少优于150 nm, 与理论研究结果相符合, 从而证明了这一方法的可行性.     

非对称三区光瞳滤波器实现一维横向超分辨

基于严格的光学成像矢量衍射理论,以4倍缩小倍率的成像系统和x线偏振光照明为例,得到经光瞳滤波器调制的大数值孔径光学系统焦区横向场表达式.通过详细研究非对称三区复振幅型光瞳滤波器的内外环归一化半径、各环相位分布和第一层透过率t对y方向分辨率增益比Gty,斯特尔比Sy和第一旁瓣与主瓣相对强度Iry的影响.设计了一种非对称三区相位型光瞳滤波器,实现Gty=0.8345,Sy=0.4087,Iry=0.4923,使得y方向分辨率比没有加光瞳滤波器时提高了将近20%.     

Design of axially super-resolving phase filters using the method of generalized projections

The design of pupil phase filters that super-resolve the axial intensity distribution with controlled side-lobe peak intensity under high numerical aperture conditions can be accomplished by incorporating the theory of electromagnetic diffraction in the method of generalized projections (MGP). The MGP results are however strongly dependent on the starting conditions and the applied constraints. In this report we study this dependence by investigating different starting pupil functions and introducing modifications to the applied constraints. Methods are described and implemented to generate a systematic set of starting conditions that enable a more thorough search of the solutions space. This approach generated results for which 95% have a super-resolved central-lobe, yet only a subset of those solutions offer a satisfactory compromise between super-resolution of the central-lobe and increased intensity of the axial side-lobes. These solutions are presented and discussed in the context of specific applications.     

衍射受限光学合成孔径成像系统像质评价

简述了光学合成孔径成像系统的原理,合成孔径成像系统在获得高截止频率的同时,降低了系统的中频性能,在空域表现为点扩展函数次峰增加。然后运用两点分辨率和光学传递函数对衍射受限光学合成孔径成像系统的像质评价问题进行了分析,指出了瑞利判据、斯派罗准则和“门限”判据的不足,认为当点扩展函数次峰大于主峰的0．5倍时,合成孔径系统与单孔径系统相比将失去优势。以光学传递函数为标准。分析三孔径合成系统子孔径尺寸、相互间距与等效系统孔径尺寸之间的关系。当子孔径直径不变时,随着其所在圆半径的增大,实际截止频率先增大,然后减小。     

光束扫描超分辨数字全息

根据超分辨成像理论, 提出了一种基于光束扫描的超分辨数字全息记录与再现技术。用菲涅耳衍射理论证明了该技术可有效增大CCD探测器的等效尺寸和系统截止频率, 从而提高数字全息成像分辨率。计算机仿真验证了该方法的正确性与可行性。对光束扫描全息记录系统进行了详细描述, 对该数字全息术的再现方法进行了具体说明。对比合成孔径数字全息术, 该技术在全息记录中无需反复移动CCD探测器, 也不必反复调整参考光以避免出现欠采样。     

W Band Dicke-Radiometer For Imaging

In this paper, a novel model is presented for Passive Millimeter Wave Imaging (PMMWI) in the near diffraction limited range. A compact W band super-heterodyne Dicke-radiometer is designed based on the research of the model. A super-resolution algorithm is adopted in order to solve the inherent problem of poor resolution imaging, which is caused by limited aperture dimensions and the consequent diffraction limit. Theoretical researches indicate that the super-resolution performance and spatial resolution are enhanced by this model and algorithm in the near diffraction limited range.