基于衍射理论的哈达玛编码光谱成像数据重构

哈达玛变换光谱成像技术是一种在不牺牲分辨率的情况下,通过多通道复用的方法增加光学系统光通量,使得系统信噪比显著高于传统成像的新型计算光谱成像技术.本文针对系统成像过程中数字微镜器件衍射造成的图像降质问题,建立了基于标量衍射理论的哈达玛编码光谱成像图谱数据退化模型,提出以Lucy-Richardson (L-R)算法为核心的重构数据修正算法,提高重构数据立方体的图像质量和光谱精度.通过对成像过程的模拟和重构算法的仿真实验,数字化生成了系统成像衍射降质的物理过程,并验证了本文所采用修正方法的有效性.经过L-R修正之后的复原数据立方体的光谱角距离评价结果为0.1296,图像相似度评价因子优于0.85,相比修正前的重构数据质量有较大提升,表明算法对哈达玛编码光谱成像数据的重构及修正具有较好的效果.     

含单层衍射元件的可见宽波段计算成像系统设计

为消除单层衍射元件在可见光宽波段中低的衍射效率对成像质量的影响,根据探测器的量子效率,提出了设计波长的选择方法,构建了可见光宽波段折衍混合系统受衍射效率影响的点扩散函数（PSF）模型。使用构建的PSF模型进行图像复原,提高了折衍射混合系统的图像质量。为了验证所提方法的有效性,将单层衍射光学元件引入目前已有的专利物镜系统中进行优化设计,优化后的系统中不仅光学元件的数量得到了减少,还将波段范围从486.1～656.3 nm扩展至400.0～800.0 nm。利用所提方法对波段范围扩展后的低衍射效率图像进行复原,复原后的图像质量不论在主观上还是客观上都有明显提升,这说明所提方法可用于含单层衍射元件的可见光宽波段系统设计。     

基于可见光的多波长衍射透镜的设计与分析

针对传统衍射透镜在可见光波段工作波长单一、色散严重等问题,提出一种能同时在多个波长工作的衍射透镜的设计方法,该设计方法可以让衍射透镜在几个波长处具有相同位置的焦点,解决了传统衍射透镜在成像时焦点偏移的问题,将所设计的透镜命名为多波长衍射透镜。通过最小化一个目标函数来寻找衍射透镜表面每一个位置的最佳微结构高度,该目标函数描述了多波长衍射透镜在工作波长处的复透射函数与传统衍射透镜的复透射函数的偏差。基于该方法设计了适用于三波段的衍射透镜,并采用标量衍射理论进行仿真分析,结果显示其在设计波段内具有良好的消色差效果。     

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.     

星载高光谱成像光谱仪狭缝函数测试方法的研究

为了满足大气微量成分高精度测量需求,需要能准确描述星载高光谱大气微量成份探测仪的仪器狭缝函数。针对高光谱大气微量成份探测仪视场大、波段宽、空间分辨率和光谱分辨率高等特点,研制了狭缝函数测量仪。介绍了狭缝函数测量仪的工作原理及基本结构,并利用狭缝函数测量仪可同时实现高分辨率、宽谱段测量的特点,通过搭建定标装置,对高光谱大气微量成份探测仪进行全视场的狭缝函数测试,得出了仪器狭缝函数的数学表达式,给出仪器狭缝函数的特性分布,并对结果进行分析。测试结果表明：高光谱大气微量成份探测仪全视场光谱分辨率在0.423～0.597 nm之间,其狭缝函数特性曲线近似满足高斯分布规律。由于星载大视场成像光谱仪存在光谱弯曲现象,从而导致边缘视场分辨能力略低于中心视场分辨能力。狭缝函数测量仪是基于中阶梯衍射光栅设计,可同时输出多条高分辨率谱线,且分布均匀,不仅可以测量高光谱成像光谱仪的仪器狭缝函数,也可对星载高光谱仪器光谱定标,为后续研究提供了参考依据和方法。     

折射/谐衍射红外双波段成像光谱仪系统研究

为了获取足够的目标信息,充分利用中波红外和长波红外的光谱信息,建立了谐衍射中、长波红外超光谱成像系统.利用谐衍射元件独特的色散特性,将谐衍射透镜应用于中、长波红外超光谱成像系统中,使系统在中波红外3.7—4.8 μm和长波红外8—12 μm的2个红外大气窗口内获取数百个光谱图像.设计结果表明,中波红外波段,在18对线/mm处光学系统的调制传递函数(MTF)大于0.55,长波红外波段,在13对线/mm处光学系统的MTF大于0.5,光学系统的衍射环绕能,在中波红外波段30 μm半径范围内大于85%,在长波红外     

基于迭代重构算法改进晶体衍射分光X射线鬼成像的图像质量研究

X射线鬼成像是一种低剂量、非定域成像方法,对医疗诊断和生物成像具有重要意义.在基于晶体劳厄衍射分光的X射线鬼成像中,晶体振动会造成衍射光路上散斑的模糊,进而导致利用关联方法重构图像衬度和空间分辨的降低.本文系统分析了衍射光路上散斑图像的模糊程度对归一化二阶关联函数g(2)的最大值和半高全。宽的影响.模糊程度的增强会导致g(2)最大值的减小和半高全宽的展宽,在理论上证明了模糊程度会引起重构图像的衬度和分辨能力的降低.为解决上述问题,本文在衍射光路和直通光路的直接关联方法(CLH)的基础上提出C_LHE方法(CLH enhanced method).模拟实验表明C_LHE算法能同时改善图像衬度和提高重构分辨率,并且模糊程度增强时,G_LHE算法重构图像的峰值信噪比与先对直通光路的散斑图像进行高斯滤波处理再进行双光路关联计算方法(GLL)的差距扩大,同时保证其对噪声的鲁棒性.本文为晶体衍射分光的X射线鬼成像的实际应用提供可行的思路.     

轴锥镜成像系统的点扩散函数分析

为了使大景深光学镜头在工业视觉检测中的测量结果更准确,必须对中间图像进行复原,点扩散函数是图像复原的关键。根据轴锥镜最大无衍射距离公式设计了无衍射成像系统,以标量衍射理论为基础,在频域范围内利用稳定相法推导出系统的点扩散函数公式。利用准单色光理论,分析非相干光照明下的点扩散函数与锥镜夹角和离焦量的关系。仿真和实验结果表明:轴锥镜夹角越大,点扩散函数中心光强越强,衍射条纹越密;离焦像差对点扩散函数的影响与之相反。     

小F数衍射微透镜阵列光学性能研究

本文基于小光点扫描,在国内首次提出了一种测试小F数衍射微透镜阵列光学性能的方法.利用光通信用半导体激光器和探测器建立了一套测试系统,并对所研制的大阵列,小单元尺寸的多相位菲涅耳衍射微透镜阵列的衍射效率和点扩散函数进行了测试.结果表明,衍射微透镜实际衍射光斑比理论衍射受限光斑扩展不大,8相位和16相位石英微透镜的衍射效率分别高达80.2%和87.5%,说明本实验室对多相位的设计理论和制作工艺已基本掌握,满足应用的要求.     

中子半影成像图像反演方法研究

给出了中子半影成像技术的原理;分析了系统分辨率的影响因子;利用MCNP软件对中子半影成像过程进行模拟;用改进的逆滤波和维纳滤波两种方法对成像主轴上一点源和偏轴两点源的编码图像进行重建,并对编码像在降低噪声和去除本底前后的反演结果进行了比较。模拟结果表明维纳滤波法能够更好地抑制统计噪声。     

图像复原处理方法在显微测量LiNbO3表面缺陷中的应用

研究了图像复原处理在显微测量中的应用。在实测系统点扩展函数的基础上,首先利用图像复原方法对显微图像进行复原处理,然后用二维处理方法实现对缝宽的精确显微测量。实现了在普通光学显微镜下铌酸锂(LiN- bO_3)极化畴结构样品缺陷大小的便捷测量。     

用于大景深三维纳米分辨多分子追踪的衍射光学元件的设计制备和实验研究

发展能实时检测完整细胞内多个生物分子随时空变化的单分子探测和追踪技术, 对于研究生命过程的分子机理具有重要意义. 在变形光栅多阶成像和双螺旋点扩散函数成像方法的基础上, 基于波前编码的原理, 提出将二者优化结合, 获得全新的衍射光学元件, 该器件同时具有多重平面成像和双螺旋点扩散函数成像的功能, 旨在解决活细胞内单分子探测和追踪技术中的大景深探测难题. 设计和制备了该器件, 并基于该器件搭建了显微成像系统, 实验模拟证明该衍射光学元件同时可实现轴向12 μ的探测范围, 与理论设计结果相符合, 从而有效扩大了显微镜系统的景深, 证明了设计的可行性. 关键词： 多分子追踪 衍射光学元件 变形光栅 双螺旋点扩散函数     

空变环形编码孔成像模拟与图像复原

环形编码孔成像技术具有高的探测效率和信噪比,是一种解决低强度脉冲辐射源成像较好的技术。基于该技术,利用Geant4建立环形编码孔中子成像的模拟过程,获取6个不同位置的点扩散函数(PSF)和编码图像。根据空间移变图像分块原理,将图像分成矩形和圆形分块,每一块图像用RL迭代法复原,去除边界明显畸变的像素,这些像素强度由相邻的图像块像素到边界距离的加权系数叠加而成。模拟结果表明,该方法提高了图像复原效果,能够更好地诊断射线区域的空间分布情况。     

多帧距离选通图像点扩散函数估计的超分辨率重建

为了解决水下激光距离选通图像成像过程中退化模型复杂的难题,提出了利用连续帧图像估计点扩散函数的距离选通超分辨成像方法。首先,从连续帧图像中选取一帧为参考帧作为初始清晰图像,下一帧图像为模糊图像,用梯度约束的方法求出点扩散函数,用于优化清晰图像;然后,依次将后续帧图像当作模糊图像与清晰图像交替迭代求取点扩散函数并优化更新清晰图像;最后获得的清晰图像与参考帧图像用乘法更新的方法估计点扩散函数,结合凸集投影法算法进行超分辨率成像重建。仿真实验结果表明,改进的算法重建图像分辨率和质量明显优于原始的算法。     

MAP-regularized robust reconstruction for underwater imaging detection

In order to enhance the visual quality of underwater images, applications such as enhancement and restoration can be applied, but the resolution is still limited. Super-resolution reconstruction is a widely used technique for improving resolution beyond the limit of imaging system. With knowledge of the point spread function and techniques of regularization, the performance of reconstruction can be further enhanced. The presented effort proposed a robust image super-resolution reconstruction method under maximum a posteriori framework with regularization by the point spread function for underwater imaging detection. Objective image quality metrics are used to quantify the effectiveness of the reconstruction. Experimental results showed that the proposed method can effectively improve the resolution and quality of underwater imaging detection.     

中子半影成像图像反演方法研究

 给出了中子半影成像技术的原理;分析了系统分辨率的影响因子;利用MCNP软件对中子半影成像过程进行模拟;用改进的逆滤波和维纳滤波两种方法对成像主轴上一点源和偏轴两点源的编码图像进行重建,并对编码像在降低噪声和去除本底前后的反演结果进行了比较。模拟结果表明维纳滤波法能够更好地抑制统计噪声。     

图像传输方法测量海水的点扩展函数

海水水体的点扩展函数（PSF）及光学传递函数（OTF）描述了海水中光或图像传输的性质,是研究海水光学性质及水下图像系统的基本参数。探讨了用图像传输的理论测量海水点扩展函数或光学传递数的方法,在实验室中建立了一套测量和计算系统;对不同长度的散射水体进行了测量,得到了一维和二维的海水点扩展函数曲线,测量结果与理论分析相符合。     

台阶法测量辐射成像系统扩展函数的误差分析

在阐述了用台阶法测量辐射成像系统扩展函数（SF）的原理基础上,针对该方法所产生的误差情况进行了分析,并对各种因素（如台阶与光轴的夹角、台阶与光轴的距离及台阶厚度等）的影响程度作了详细的对比,获得了测量系统扩展函数实验布局的指导原则,同时指出了在该类测量实验中应注意的问题。     

单幅模糊图像点扩散函数估计的梯度倒谱分析方法研究

针对单幅图像复原算法引入先验信息导致复杂度高、运算效率低的问题, 提出了单幅模糊图像点扩散函数估计的梯度倒谱分析方法. 首先给出了单幅模糊图像梯度倒谱估计其点扩散函数的基本原理, 利用相位恢复策略复原了二维点扩散函数相位信息, 实现了点扩散函数的快速估计; 其次, 为鉴别点扩散函数估计精度, 建立了图像梯度保真约束的全变分正则化图像复原模型, 并采用快速稳定收敛的交替方向策略优化能量函数; 通过对仿真和实拍单幅模糊图像进行的测试实验结果表明, 该方法快速准确地估计出点扩散函数, 克服了传统复原算法收敛速度慢的缺点, 有效抑制了振铃效应、保护了边缘信息, 为大尺寸单幅图像复原的工程化实现提供了理论和技术基础. 关键词： 图像复原 点扩散函数 梯度倒谱分析 全变分