固态微光实时偏振成像集成技术

高性能的微光夜视探测是光电探测未来的发展方向.本文针对在微弱光照射情况下,因为感光度不足而使得获得的偏振图像存在较大误差的问题,提出了一种固态微光实时偏振成像集成技术.通过引入白光通道和4个偏振方向的8个偏振通道,可在电子倍增CCD(EMCCD)微光器件上实现偏振和微光探测的集成.经试验验证,该技术获取的偏振信息准确度...     

微光偏振成像系统设计及实验

为了实现对运动目标或变化场景的同时成像,根据偏振成像原理,基于孔径分割技术设计了一套微光偏振成像系统.开展了微光偏振成像实验,在实验室条件下定性分析了偏振成像的优势,研究了不同照度下偏振成像的准确度.通过改变偏振出射光束的照度,运用获得的偏振图像计算了该照度下光束的偏振度和偏振角.与真实偏振度、偏振角信息对比分析表明,当环境照度大于10-2 lx时,偏振成像能够比较准确地还原场景的偏振信息,改善微光成像质量.经过优化,该系统MTF在56lp/mm处所有视场下均不小于35%.     

非共轴四通道偏振成像方法研究

针对当前偏振成像方法的实时性不好、能量利用率低以及分辨率不高等问题，提出了一种非共轴四通道偏振成像方法。该方法通过4个通道采集不同偏振方向的图像来融合计算偏振度图像。数值仿真分析了影响系统偏振成像结果的通道间距、通道平行度和偏振片检偏角度误差，得出了满足偏振成像精度达到1%的系统参数容限。在实验研究方面，研制出了非共轴四通道的偏振成像系统，并对室外距离约为50 m的车辆进行了实验。实验证明了该系统可以有效地对目标进行偏振成像。     

基于微光像增强器的偏振成像系统设计与实验

为验证用微光像增强器实现偏振成像的可行性,根据偏振成像原理,设计了基于分时型偏振成像技术的微光偏振检偏器。选用三代像增强器和高动态范围数字CCD,设计了相应大口径成像物镜和中继光学耦合透镜,获得了高透过率、高调制函数（MTF）的图像耦合性能。采用数字CCD、数字图像采集卡,编写了相应图像处理软件,实现了实验室和野外微光条件下的人造目标和自然景物的偏振探测成像。结果表明,原始图像中目标与背景对比度之比为1.35,基于微光像增强器的偏振成像系统的目标与背景对比度之比为2.35,微光偏振成像能够提高夜间环境下人造目标和自然背景的对比度。     

水下仿生偏振成像光学系统设计

在水的光学特性影响下,为了对水下目标进行实时探测,通过研究螳螂虾视觉偏振成像原理,仿照其独特的复眼结构,充分利用分振幅和基于孔径分割技术,设计了一种新型的水下实时偏振成像系统。采用四通道阵列结构和双通道阵列相结合,用圆偏振技术和线偏振技术对水下目标进行实时成像。通过Zemax软件实现该系统设计,系统焦距为35 mm,F数为4,工作波长为可见光波段486 nm~656 nm,半视场角为±2.5°。设计结果表明:MTF>0.7(@60 lp/mm), 系统弥散斑 < 9 μm, 畸变小于0.5%,可满足成像要求。     

基于孔径分割与视场分割的通道型成像光谱偏振技术

本文基于孔径分割、视场分割与通道光谱技术, 提出一种成像光谱偏振技术的新方案. 本方案在单一面阵探测器上同时获取经过不同强度调制的两对正反相干涉图, 四幅干涉图相加获取强度加倍的目标图像, 正反相干涉图相减获取纯干涉条纹, 纯干涉条纹相加减获取强度加倍的单通道干涉条纹, 对单通道干涉条纹进行傅里叶变换获取目标的光谱与偏振信息. 文中描述了方案的原理结构, 推导出了干涉强度的表达式, 并利用计算机仿真验证了方案的可行性. 为新型成像光谱偏振仪的设计和工程化应用提供了一种新思路.     

分孔径红外偏振成像仪光学系统设计

为了在复杂及伪装的红外背景中识别出小温差目标,本文提出了一种基于分孔径的偏振成像系统结构,并对分孔径偏振成像系统所采用的分孔径成像系统及中继成像系统进行了设计研究。首先,根据Stokes矢量介绍了系统的工作理论和光学结构;其次,在现有探测器的结构参数要求下,计算出了光学系统的偏心量等参数,选择硅、锗作为透镜材料。在此基础上,确定了分孔径成像系统结构和中继成像系统结构。接着使用离轴偏心多重结构设计方法对初始结构进行了优化,研究了将普通红外物镜转变为具有实入瞳的像方远心结构的方法;最后,完成了分孔径成像系统和中继成像系统的整体系统匹配。设计结果表明,整体系统的调制传递函数在探测器奈奎斯特频率为17 lp/mm处大于0.6,能够满足系统的设计要求。本文设计的结构可以对探测目标实现实时偏振成像,且具有结构紧凑的优点。     

微光全景光学系统设计

根据微光像增强器成像特性,设计了微光全景光学系统,采用反射式前组与透射式后组结构。重点阐述反射式前组的设计方法,并据此设计优化得到了性能优良的成像系统。该系统有效焦距2.43 mm,工作波段0.4 m～0.9 m,有效工作F数1.5,水平视场360,垂直视场30～100。设计结果表明,系统全视场f 畸变小于6%,调制传递函数在24 lp/mm处大于0.3,系统指标满足成像要求。     

偏振-微光一体化EMCCD相机的设计与开发

多维度的信息获取是微光夜视探测技术未来的发展方向,偏振成像是光电探测领域中的一种维度,偏振相机的研制是研究偏振成像技术的前提。基于集成偏振阵列结构的电子倍增CCD(electron multiplying CCD, EMCCD)器件,集合EMCCD微光探测的优势和偏振维度的探测功能,论述了偏振-微光一体化相机的硬件电路设计和开发方案,完成偏振维度信息与光强度信息一机同步采集作业,并通过FPGA对原始数据进行偏振运算与图像传输处理。搭建测试系统,对设计与开发的偏振样机进行性能测试。实验结果表明,在温度273 K、读出频率2 MHz条件下,器件的读出噪声为8.81e-,动态范围约为74 dB,样机的消光比可达50.95,透过率可达60.16%,并可实时地选择性输出偏振度图像、偏振角图像、光强度与偏振融合图像,极大地提高了夜间环境下对目标的识别探测能力。     

EMCCD集成偏振-微光一体化成像技术研究

单一探测器实现多维度信息获取是光电探测未来的发展方向。针对目标探测中能量和偏振信息不能兼顾的问题,提出了一种同时具有偏振-微光功能的像元阵列结构。通过引入白光通道和精简偏振通道,可在EMCCD器件上实现偏振和微光探测的一体化集成。实验结果表明,在微光条件下,探测器高灵敏性能被保持,低照度下的成像质量几乎不衰减;偏振模式下,白光通道和两个偏振角度使探测器能够获得足够的偏振信息,实现对目标的偏振探测。该方法实现了高灵敏度成像探测和偏振信息探测的同步获取,是一种通过算法处理就能够实现探测模式可重构的新方法。     

红外偏振成像系统光学设计

物体的光学信息除了常见的光谱信息还包括偏振信息。对偏振信息的采集能够实现复杂背景下对特定目标的信息提取,特别是金属目标的信息提取。结合偏振成像的原理、组成和特点,采用共孔径共探测器长波红外偏振成像系统对目标信息进行提取,通过仿真软件进行分析,系统可探测到3 km远的车辆目标, 且成像质量良好。     

变焦结构光成像系统的光学设计

为了实现快速低成本改变光学系统焦距,设计了基于液体透镜的变焦结构光三维成像镜头和微透镜阵列。系统采用7片球面玻璃镜片和1片液体透镜结构, F#为3.2,全视场大小为10 mm,总长180 mm,焦距变化范围54 mm~61 mm。结果表明:该系统能实现投影距离227 mm~256 mm调节,调焦过程中目标表面清晰,细节分辨率高,系统在整个变焦区域内,在40 lp/mm时,全视场MTF优于0.2,系统场曲小于0.2,畸变小于0.2%。柱面微透镜阵列整体尺寸为10 mm×10 mm,周期宽度为1 mm,厚度为1 mm。随着投影距离的增长,光学系统成像质量先上升后下降,在237 mm处成像质量最优,随着投影距离的增加,光学系统的放大倍率增大,光学系统整体相对照度不均匀性小于0.2。     

微光电视成像系统表征方法

在分析微光电视成像系统的基础上,提出了适用于微光电视成像系统仿真所用的微光场景图像数据的要求及生成方法;针对第二代近贴聚焦系统和第三代像增强系统,建立了微光电视成像系统的能量增益理论模型;引入３维噪声理论模型表征了微光成像系统的噪声;最后,提出了微光电视图像噪声抑制算法的评价方法。仿真结果表明：经微光系统传递后,图像中的高频信息变模糊,加入噪声后,信噪比降低;而经过5帧平均算法后的图像质量明显改善,对比度增加。     

Optical design of common-aperture multispectral and polarization optical imaging system with wide field of view

Multispectral and polarization cameras that can simultaneously acquire the spatial, spectral, and polarization characteristics of an object have considerable potential applications in target detection, biomedical imaging, and remote sensing.In this work, we develop a common-aperture optical system that can capture multispectral and polarization information.An off-axis three-mirror optical system is mounted on the front end of the proposed system and used as a common-aperture telescope in the visible light(400 nm–750 nm) and long-wave infrared(LWIR, 8 μm–12 μm) waveband. The system can maintain a wide field of view(4.5?) and it can demonstrate an enhanced identification ability. The off-axis three-mirror system gets rid of central obscuration while further yielding stable system resolution and energy. Light that has passed through the front-end common-aperture reflection system is divided into the visible light and LWIR waveband by a beamsplitter.The two wavebands then converge on two detectors through two groups of lenses. Our simulation results indicate that the proposed system can obtain clear images in each waveband to meet the diverse imaging requirements.     

偏振对光学系统成像质量的影响

通常情况下,评价光学成像系统像质的几个重要参数,如能量集中度(Strehl比)、分辨率、焦深等,都是以标量衍射理论为基础进行计算和分析的.考虑光波的矢量偏振特性,尤其是在高数值孔径系统中,标量衍射的精度已不能满足精度要求.本文讨论了在采用矢量衍射计算方法基础上,上述成像参数的变化,所讨论系统入瞳面各点为偏振方向一致的线偏光或部分偏光,以便于考察偏振对所述成像参数的影响,通过公式推导和数值计算,得出了由于偏振的影响.系统衍射斑能量极大值变小,像面和偏振平行方向分辨率降低,分辨率出现各向异性,只有系统焦深受偏振影响较小.而这些矢量效应会随着系统数值孔径的提高而愈加明显,因此在分析处理数值孔径较高的光学系统时必须使用矢量衍射方法.最后讨论了轴外点衍射斑的计算.     

成像光谱仪的光学系统设计

成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器 ,以获取地球目标的详细光谱景像为目的 ,如陆地、海洋的辐射信息及大气等方面的监测等。成像光谱仪的特点是成像光谱段多、谱段不连续、位置重叠等 ,并同时存在有图像分辨率和光谱分辨率的问题 ,其光学系统是非常复杂的 ,且所要求的光谱分辨率比图像分辨率要高。详细介绍了成像光谱仪的光学系统原理、光学系统设计方法及组成部分。根据现有的技术条件 ,给出了合理的结构和设计结果 ,设计思想新颖适用     

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。     

Optical bistability at low light level due to collective atomic recoil

We demonstrate optical nonlinearities due to the interaction of weak optical fields with the collective motion of a strongly dispersive ultracold gas. The combination of a recoil-induced resonance in the high gain regime and optical waveguiding within the dispersive medium enables us to achieve a collective atomic cooperativity of 275+/-50 even in the absence of a cavity. As a result, we observe optical bistability at input powers as low as 20 pW. The present scheme allows for dynamic optical control of the dispersive properties of the ultracold gas using very weak pulses of light. The experimental observations are in good agreement with a theoretical model.     

傅立叶变换型线偏振干涉成像系统分析与设计

为满足中波红外高空间分辨率偏振干涉测量需求,本文提出一种基于微型静态干涉原理的中波红外线偏振干涉成像系统。该系统不含狭缝,具有信息量多,光通量大等优点。介绍了线偏振干涉成像系统的工作原理,采用近轴光学理论计算了初始结构参数,进行了系统优化设计。分析了入射光分别为完全非偏振光和线偏振光时系统的透过率,给出了系统所能探测的最小辐射强度。为了降低探测器强度的随机波动对偏振测量的影响,采用等权重方差优化了系统的偏振测量矩阵,并通过数值仿真验证了方法的正确性。最后,分析了偏振片的旋转误差对偏振测量的影响,给出了偏振探测精度为2%时的偏振片旋转公差容限。设计结果表明:傅立叶变换型线偏振干涉成像系统成像质量良好,在探测器的特征频率17 lp/mm处,各视场的调制传递函数值均大于0.6,满足系统的使用需求。