基于液晶可调变滤色器的光谱图像获取及颜色重建方法

基于液晶可调变滤色器(LCTF)的光谱成像系统具有光谱分辨率高、结构紧凑、控制灵活等特点。搭建了一套可见光波段的高分辨率LCTF光谱成像系统,对系统的光谱图像获取及彩色图像重建方法进行了研究;建立了系统的光谱及颜色重建模型;基于标准色卡及标准测色系统,对该系统的颜色复现效果进行了实验验证;实验结果表明,该LCTF光谱成像系统的彩色图像颜色复现精度达可到较小色差水平。     

Dynamic spectral imaging with spectral zooming capability

We report a dynamic spectral imaging system with spectral band zooming and selection capability that can adapt to different application requirements and significantly reduce the size of the captured spectral image data cube. It employs a diffraction grating to disperse the spectral information of the captured image and uses a dynamic spatial filter at the Fourier plane to select the spectral channel and spectral bandwidth for each spectral image. With a limited fixed spectral channel number, it can provide both coarse and fine spectral image viewing and capture. A prototype spectral imaging system with such spectral band zooming and selection features has been constructed. Spectral zooming from 9 to 50 nm resolution has been demonstrated.     

基于CDP的宽波段光谱成像仪研究

为满足动态目标实时光谱成像的应用需求,设计了一种基于CDP(crossed dispersion prism)的静态、快照式的光谱成像仪。对其光谱成像原理进行了理论研究,并根据理论研究结果对宽波段CDP光谱成像仪光学系统进行设计。该光谱成像仪由CDP分光系统、成像光学系统和面阵探测器组成,视场角为4°,焦距为110 mm,工作波段为0.6~5.0 μm。设计结果表明,该仪器在0.6~5.0 μm的波段范围内具有较好的光谱成像能力,平均光谱分辨率为20 nm。该技术为实时获取动态目标光谱信息及位置信息提供了一种新方法,同时该技术在对未知高能目标探测、定位以及识别方面具有很大的潜力。     

PGP成像光谱仪的全视场自动化光谱定标方法

为了对PGP成像光谱仪所获得的光谱数据进行定量化分析,需对PGP成像光谱仪进行光谱定标,以获得各光谱通道的中心波长、光谱分辨率及成像光谱仪的光谱弯曲等光谱特性信息。采用单色准直光法设计了一套全视场自动化的光谱定标系统,系统中引入球面镜为待测的成像光谱仪光谱定标提供准直光,通过可自动控制的折转镜改变定标入射光线的入射角,以此实现待测成像光谱仪空间维不同视场的自动化光谱定标。运用该定标系统对PGP成像光谱仪进行光谱定标实验,得到该成像光谱仪的光谱性能参数,并结合定标系统的结构特点,对实验的结果进行了精度分析。实验分析结果表明该系统对PGP成像光谱仪的中心波长定标精度达到0.1 nm,光谱分辨率定标精度达到1.3%。该研究设计的全视场自动化光谱定标系统具有结构新颖紧凑、通用性较强、光谱定标精度较高等特点,且由于自动化的控制,避免了由于人为参与定标过程所带来的额外误差。该系统可用于实现PGP成像光谱仪及其他同类型成像光谱仪的光谱定标。     

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。     

均匀背景中的动态小目标光谱数据获取方法研究

光谱是一种可以表征物质特性的光学信息,利用光谱成像仪可以获取处于视场范围内的物质的光谱图像,成熟的光谱成像技术均需要通过多次采集才能够获取完整的光谱图像数据立方体,相应系统的时间分辨率比较低,不适用于动态目标的光谱获取。快照式光谱成像在动态目标光谱成像方面具有较大的优势,其中编码孔径快照光谱成像技术是一种将压缩感知计算方法融入到光谱成像过程和图谱重构过程中的光谱成像技术,在采样过程中完成数据压缩,具有高通量优势,可以利用单次曝光的混叠数据,重构出目标光谱数据立方体,实现快照式成像,使得对动态的目标进行监测成为可能。实现监测需要目标的信息满足稀疏性的假设,实际目标很难满足这样的条件,重构误差比较大,不利于对动态的小目标进行监测和识别。针对均匀背景中动态小目标的光谱数据获取,提出一种双色散通道的编码孔径光谱成像方法,系统由两个通道组成,每个通道均包含一个光谱仪,其色散方向互相垂直,并共用一个前置望远镜系统和编码孔径。该系统可以实时观测均匀背景区域中的动态小目标。由于两个通道的色散方向互相垂直,可以从背景中分离出小目标的位置和相对应的编码。假设目标出现在视场中前后,背景的辐射特性变化很小,利用目标出现前的数据计算出背景光谱;目标出现后,通过帧间差分运算,消除背景辐射的影响,提取出目标位置对应色散区域中数据,利用约束最小二乘算法,重构运动小目标的光谱数据立方体。进行光谱数据重构,进行背景光谱补偿后,获得完整的动态小目标光谱数据。文章对成像过程建立了数学模型,并对重构方法进行了仿真验证,结合编码孔径的统计特征,使目标随机出现在不同的位置,统计重构光谱的峰值信噪比概率分布,并调整目标尺寸,分析目标尺寸对重构精度的影响,最后与编码孔径成像系统的两步软阈值迭代算法重构结果进行了对比。结果表明,这种方法在均匀背景中,采用随机编码矩阵进行编码,目标尺寸小于5×5个像元时,相对于编码孔径成像系统,提高了目标的信息重构精度和概率,并且极大的减小了运算量,可以实现对运动目标的实时监测。     

量子点光谱成像技术与重建仿真

为满足机载星载平台对光谱成像系统紧凑型和轻量化的需求,克服当前光谱成像技术分光系统结构复杂、成本高的不足,提出了基于量子点材料的光谱成像技术方案。将条带状的量子点阵列片放置于前置镜焦面前,利用量子点材料对光谱的吸收特性对探测目标的入射光谱进行调制,使用最小二乘法建立探测目标的光谱重建模型,采用推扫的方式获取数据并进行光谱重建可以获得目标光谱和空间信息。量子点光谱成像技术具有光谱分辨率高、能量利用率高、体积小、光谱范围宽和成本低等优势。分析了不同光谱谱段间隔和噪声等因素对重建光谱分辨率的影响,以及对重建光谱准确性或者失真度的影响。分析得出谱段间隔越低,光谱分辨率越高;重建的准确性和分辨率随着噪声水平的增大而降低;适当的提高谱段间隔,可以提高重建的准确性。将已知数据立方体和它的仿真结果进行对比,可以看出还原得到的量子点光谱图像质量较好,验证了该技术的可行性。量子点材料为光谱成像技术提供了新的途径,在航空航天等小型化光谱遥感领域具有极大的应用潜力。     

Spectral imaging of neurosurgical target tissues through operation microscope

It has been noticed that spectral information can be used for analyzing and separating different biological tissues. However, most of the studies for spectral image acquisitions are mainly done in vitro. Usually the main restrictions for in vivo measurements are the size or the weight of the spectral camera. If the camera weights too much, the surgery microscope cannot be stabilized. If the size of the camera is too big, it will disturb the surgeon or even risk the safety of the patient. The main goal of this study was to develop an independent spectral imaging device which can be used for collecting spectral information from the neurosurgeries without any previously described restrictions. Size of the imaging system is small enough not to disturb the surgeon during the surgery. The developed spectral imaging system is used for collecting a spectral database which can be used for the future imaging systems.     

Comparison of In Vivo Optical Systems for Bioluminescence and Fluorescence Imaging

In vivo optical imaging has become a popular tool in animal laboratories. Currently, many in vivo optical imaging systems are available on the market, which often makes it difficult for research groups to decide which system fits their needs best. In this work we compared different commercially available systems, which can measure both bioluminescent and fluorescent light. The systems were tested for their bioluminescent and fluorescent sensitivity both in vitro and in vivo. The IVIS Lumina II was found to be most sensitive for bioluminescence imaging, with the Photon Imager a close second. Contrary, the Kodak system was, in vitro, the most sensitive system for fluorescence imaging. In vivo, the fluorescence sensitivity of the systems was similar. Finally, we examined the added value of spectral unmixing algorithms for in vivo optical imaging and demonstrated that spectral unmixing resulted in at least a doubling of the in vivo sensitivity. Additionally, spectral unmixing also enabled separate imaging of dyes with overlapping spectra which were, without spectral unmixing, not distinguishable.     

光谱分辨率可调的新型干涉成像光谱技术研究

针对色散型和静态干涉型成像光谱仪光谱分辨率固定、系统效能得不到充分发挥等问题,提出了一种光谱分辨率可调的静态双折射干涉成像光谱技术.该技术的创新点之一在于,仪器的光谱分辨能力可调,且调节范围较宽.对于不同的探测目标,利用这一技术,只获取有用的光谱数据,既能满足多目标、多任务光谱图像探测的需要,又可大幅减少对存储空间和通信带宽的占用,有效缩短数据处理时间,提高系统信噪比,从而使仪器总体性能达到最优.本文给出了新技术的具体实现方案及理论模型,对核心元件—横向剪切量可调的新型双Wollaston平行平板分束器进行了光线追迹,给出了其横向剪切量的精确理论计算公式,深入分析了其分光及横向剪切量调节原理.在此基础上,研究了新技术的光谱分辨率调节特性,给出了其光谱调节范围,并对其光谱调节原理进行了实验验证.     

液晶光谱成像技术研究进展

液晶光谱成像技术是基于液晶可调滤光片的新型光谱成像技术.利用向列相液晶材料的电控双折射效应,液晶可调滤光片可在工作谱段内进行连续光谱调谐,实现光谱成像系统的小型化、多用途、实时控制.获取高空间分辫率和高光谱分辫率的光谱图像,是今后航天航空遥感的一个重要发展方向.结合液晶光谱成像技术的国内外研究进展,分析了其目前存在的主...     

“聚龙一号”装置不同光子能段X射线积分成像系统研制

成功研制了用于"聚龙一号"装置上Z箍缩实验中等离子体图像诊断的三通道不同光子能段的X射线积分成像系统。该系统主要由针孔阵列调节组件、X射线真空飞行管道、X射线分光器件及成像板组成,各通道的光谱响应分别为277eV,小于700eV和大于800eV,其对应的成像针孔直径为100,100和50μm,成像放大倍率2倍,成像空间分辨率均优于0.2mm。在"聚龙一号"装置上完成了该成像系统的性能考核,获取了不同光子能段的等离子体时间积分图像。结果表明,该成像系统满足"聚龙一号"装置上Z箍缩实验的诊断需求,在提升了单台相机光谱响应范围的同时提高了低能段图像的空间分辨率。     

Multichannel Spectral Imaging System for Measurements with the Highest Signal-to-Noise Ratio

A multichannel spectral imaging system consisting of dichroic mirrors is proposed. The system is expected to have the highest signal-to-noise ratio (SNR) because of the largest optical throughput realized by the multichannel configurations for both imaging and spectrometry. A multichannel spectral imaging system with eight spectral bands was designed by the evolutionary algorithms and then fabricated. The SNR is studied and compared experimentally with those of other fast spectral imaging techniques. A time-sequence of spectral images of a super-continuum light beam is measured using the present system. The number of spectral channels of the system is limited chiefly by the difficulty in designing the arrangement of dichroic mirrors and the optical performance of those mirrors. These limitations restrict the number of spectral channels to approximately 16 at present.     

先进焦平面与光谱成像技术现状

深入分析先进的焦平面技术和光谱成像技术的发展趋势,为探测器及光谱成像仪的研究提供参考。对光谱成像技术的现状和发展趋势、焦平面技术、先进焦平面技术对光谱成像系统技术的推动作用三个方面进行详细的分析总结,认为焦平面技术向着高性能、大规模面阵规格、高灵敏度、宽谱响应的方向发展;并推动光谱成像系统向着高分辨率、宽幅、多波段、更短重访周期和简化系统方向发展。成像光谱仪的发展趋势和需求指明焦平面技术的发展方向,同时焦平面技术的发展也会引领成像光谱仪系统进步和革新。     

基于离轴两反利特罗结构的棱镜高光谱成像系统的光学设计

为满足高光谱成像系统高空间分辨率和高光谱分辨率的要求,并应对实际应用中对仪器小型化、轻量化、高光学效率的新需求,研究一种基于利特罗结构的棱镜色散高光谱成像系统,采用离轴两反的利特罗结构形式减小光学系统的体积,同时为平面棱镜提供准直光路,并以宏编程的优化方式,避免系统中光路干涉。结果表明,通过非球面反射镜和双校正透镜的设计,该光学成像系统的谱线弯曲均小于2.1 μm,色畸变小于1.3 μm,控制在18%像元内,在400～1 080 nm可见—近红外(VNIR)工作波段的光学调制传递函数(MTF)均达到0.9以上,光谱分辨率为1.6～5.0 nm,光谱透过率在51.5%以上,系统在整个工作光谱范围都具有较高的透过率和像质。     

可见近红外波段无人机载成像光谱仪设计

为了满足地物成像光谱分析的需要,设计了同轴安装、体积小、重量轻的适用于无人机载的棱镜-光栅-棱镜型可见近红外成像光谱仪.通过角放大率选择、光焦度分配、相对孔径计算设计了视场较大的前置物镜;通过光栅方程求解、体相位全息光栅布拉格条件约束、棱镜折射定律设计了光谱系统的初始结构;通过工作光谱上下限出射角与探测器光谱维宽度的关系确定了成像物镜的焦距;通过出射光角度明确了出射光谱的非线性.设计的无人机载成像光谱仪工作光谱范围为400~1 000nm,视场角为40°,全工作波段在空间截止频率20.8lp/mm处的传递函数值均大于0.67,光谱分辨率小于3nm.装调了无人机载成像光谱仪对室外绿化树木进行光谱推扫成像实验,实现了树叶的多光谱成像.该成像光谱仪能够有效实现光谱成像,性能良好.     

一种组件透射式成像光谱仪设计

针对反射式成像光谱系统普遍存在多次反射(和衍射)产生杂散光和装调难度大等问题,设计了一种高性能透射式系统,全部使用通用光学组件,简化了系统结构,降低了成本和装调难度,较传统成像光谱仪有更广的适用范围。该设计中全部部件都非定制,可以根据应用场合更换,具有较好的灵活性,采用透射的方式,减少了杂散光的影响。利用ZEMAX软件仿真、优化了搭配两组不同物镜的系统光路,对畸变、MTF、色差等性能进行测试。对比25和50 mm物镜的系统性能,发现望远镜头的更换对整个系统成像质量的影响不大。参照设计参数成功搭建出一台成像光谱仪,其中望远物镜采用准对称双高斯结构,有利于控制场曲和畸变;采用透射式平面衍射光栅作为分光器件,制作工艺成熟,无需定制,装调简单。光谱分辨率和畸变测试结果显示该系统拥有良好的畸变控制能力,光谱分辨率达到2 nm,满足设计要求,利用标定后的系统测得的氘灯光谱取得了较为理想的结果。     

基于数字滤波的主动式高光谱成像系统及其波长标定

基于数字滤波技术,提出了获取物体反射光谱数据立方体和光谱响应曲线的主动式新型高光谱成像系统。对传统WDF型瓦兹渥斯反射式单色仪进行了改装,在入射光一定的情况下,增大出射光通量,提高了照射在物体表面的光强。利用数字滤波方式代替光学窄带滤波器,解决了多个光学滤光片不能连续可调和其他滤波器成本高的问题,建立了波长连续可调,带宽可调的高光谱成像系统。针对系统的特点和采集方式,提出了适当的定标方式,其波长误差2nm。得到了绿色树叶效果良好的光谱数据立方体和响应曲线,表明提出的系统适用于实验室中小视场内的光谱成像测量研究。     

基于LCVR调谐的全偏振多谱段成像系统

提出一种新型全偏振多谱段成像系统,将液晶相位可变延迟器LCVR应用于全偏振成像技术,在可见-近红外波段上可快速实现光的全偏振态的精确调制.系统由光学镜头、LCVR、偏振片、滤波片和CCD探测器组成.文章首先介绍了系统结构、工作原理和光学设计,并提出了适合本系统的偏振定标方法,建立了偏振定标系统,实现了利用较小面积的偏振...     

基于LCTF调谐的高光谱成像系统设计

提出一种新的轻小型高光谱成像系统,将液晶可调谐滤光片LCTF应用于高光谱成像技术,用电调谐的LCTF代替传统的机械滤光片转轮,在可见-近红外波段上可快速地实现波长的任意调谐。系统由光学镜头、LCTF和CCD探测器组成。文章首先详细描述了系统结构、光学设计及其工作原理;再利用该成像系统,以飞艇为平台进行了野外试验,获取了高光谱立体图像,所获取的图像有较高的空间分辨率和光谱分辨率;文章给出16个波段中546～600 nm的局部图像数据,最后对图像进行初步的数据处理,推导出地物420～720 nm的光谱反射率。试验验证了该成像系统的高光谱数据成像获取能力,成像数据可应用于光谱分析。