高分辨率傅里叶变换成像光谱仪光谱重建并行算法

高分辨率傅里叶变换成像光谱仪具有高空间分辨率和高光谱分辨率的特点,但光谱重建时间冗长。通过对傅里叶变换光谱重建流程分析,为研制的1024pixel(光谱维)×1024piexl(像宽)×1024piexl(像高)高分辨率紫外傅里叶变换成像光谱仪的数据立方体反演,设计了一种并行优化算法。实验表明,在6核处理器上对512M和2G的数据立方体进行变换,时间分别只需88.33s和489.75s,加速比分别为3.70和3.04,大幅度提高了运算效率。如将该算法应用到更多内核处理器上,可得到更高的加速比和更少的运算时间。     

傅里叶变换光谱仪中的主要技术环节

本文总结了在研制傅里叶交换光谱仪(FTS)或成象傅里叶变换光谱仪(IFTS)时应当考虑的主要技术环节,包括仪器函数、光谱分辨率、扩展光源、动镜运动误差、噪音等效功率、信噪比等,并给出相应计算公式.     

干涉型计算层析成像光谱仪的图像重建

针对干涉型计算层析成像光谱仪(CTII)提出了一种光谱图像数据立方体的重建方法。干涉型计算层析成像光谱仪是一种将空间调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪(CTIS)的原理相结合的一种新型成像光谱仪,具有高通量、高光谱分辨力以及高空间分辨力的特点。分析和讨论了干涉型计算层析成像光谱仪的工作原理以及获取图像的特征,介绍了光谱图像数据立方体的重建方法。根据多角度投影数据的特点提出采用卷积反投影计算层析成像图像重建算法,给出了图像重建步骤以及相应的数学表达式。对D65光源照明条件下的396×396像素目标进行了仿真实验,投影角度为0~180°,步长为0.5°,列出了仿真实验部分结果。实验结果验证了干涉型计算层析成像光谱仪及其图像重建算法的可行性。     

精密气动液压伺服系统用于傅里叶变换光谱仪光谱测量

讨论了傅里叶变换光谱仪动镜稳定平移的重要性,研制了以高压无氧氮气为动力源的精密气动液压系统用于推进在研傅里叶变换光谱仪“猫眼”动镜系统,并在此基础之上测量了ＺＹＧＯ干涉仪光源光谱图。     

紫外傅里叶变换光谱仪干涉图数据处理

阐述了干涉图数据处理方法 ,采用紫外傅里叶变换光谱仪实验测量了汞灯光谱干涉图。使用四阶Blackman Harris窗函数作为切趾函数 ,采用最小二乘法拟和多项式对光源傅里叶变换光谱进行相位校正 ,获得了高精度的Hg紫外发射光谱     

一种大孔径紫外傅里叶变换成像光谱仪结构研究

根据刑侦、物证等领域的应用要求,研制了一种工作波段为254~380nm的大孔径傅里叶变换成像光谱仪。该系统采用具有高光通量的时间-空间调制型结构以解决现有系统能量不足的问题。系统采用像平面式干涉仪与全反射式Offner成像镜相配合的方案,可实现干涉图上光程差近似线性分布。其在紫外波段最大可获得光程差与空间调制型干涉结构相同,理论最大波数分辨率为80cm-1。系统前置物镜、分光立方体为熔石英材质,成像镜为全反射系统,在全工作波段内具有较高透射率。实验结果表明,系统可获取工作波段短波端附近的原始干涉图,能正确采集及重构目标的紫外波段光谱数据立方体;在使用汞灯照明时,可正确识别365nm处发射峰。     

全光纤傅里叶变换光谱仪的关键技术研究

研究一种基于光纤Mach-Zehnder干涉仪结构的全光纤傅里叶变换光谱仪(fiber fourier transform spectrometer, FFTS)。设计了光程调制范围可达2 cm的压电陶瓷光纤相位调制器,代替传统傅里叶变换光谱仪中的动镜产生光程扫描。实验中采用1 310 nm DFB激光器作为参考光源,对测试光干涉图进行等光程间隔采样,以消除压电陶瓷非线性光程调制产生的误差。通过对测试光干涉图做傅里叶逆变换得到测试光光谱图。利用该FFTS系统测量了ASE宽带光源的光谱,并将测量结果和光栅光谱仪测量结果进行了对比,结果表明两者所测ASE光谱线型一致。最后,利用光纤光栅作为样品,对FFTS系统的光谱分辨率进行了检测,光谱分辨率达到了0.78 cm-1。     

傅里叶变换光谱仪用于白光光谱测量的实验设计

傅里叶变换光谱仪通过迈克耳孙干涉仪中双光束干涉强度与光程差变化之间的函数关系获得光源的光谱信息.基于自制的傅里叶变换光谱仪,利用光敏电阻和数据采集系统记录动镜沿镜面法线方向匀速运动过程中白光干涉图像的强度变化,得到了白光的相干长度,同时对干涉光强随光程差的分布函数进行了傅里叶余弦变换,得到了被测白光光源的光谱分布.     

干涉型计算层析成像光谱仪的实现方法

提出了一种干涉型计算层析成像光谱仪(CTII)原理及实现方法。CTII把空间调制式傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)的原理与计算层析成像光谱仪(CTIS)的原理巧妙结合,因此整个系统在原理上具有高灵敏度、高光谱分辨率,以及高空间分辨率。分析和讨论了CTII的工作原理,给出了一种实用CTII的光路结构;对典型目标的投影图像进行实验,实验结果验证了本方法的可行性。     

教学用自组式傅里叶变换光谱仪

对原有的傅里叶变换光谱实验进行了全面的升级改造，研制了一种新型的教学用自组式傅里叶变换光谱仪，波长精度较原有实验提高了两个数量级，由该仪器构成的傅里叶变换光谱实验内涵丰富，不但可以使学生学习一种重要的光谱技术，更可以很好地培养学生综合运用所学知识解决实际问题的能力。     

基于CUDA的傅里叶变换成像光谱仪数据重建

为了达到傅里叶变换成像光谱仪(FTIS)数据快速重建的目的,使用GPU并行计算技术设计了基于CUDA(compute unified device architecture)的成像光谱仪快速数据重建优化算法。采用CUDA下的CUFFT库和CUDA并行计算内核,以达到加快成像光谱仪快速数据重建。结果表明,基于CUDA的并行计算技术能有效调动GPU的硬件资源,可大幅度提高光谱重建处理任务的计算效率。如果将该技术应用到更多核的并行计算工作站上,那么单台计算机完成干涉成像光谱仪数据的实时处理任务将成为可能。     

全景环形成像傅里叶变换光谱仪光学系统设计

提出了一种可以实现红外全景环形光谱成像的新型傅里叶变换成像光谱仪结构,该成像光谱仪以共焦双曲反射镜组作为全景环形集光器,利用Schwarzchild物镜进行准直,结合弹光调制干涉仪,成像透镜组以及HgCdTe红外焦平面阵列构成。介绍了全景环形成像傅里叶变换光谱仪基本工作原理及成像特性,讨论了双曲面反射全景环形集光器和Schwarzchild物镜准直器等各光学结构的设计方法,并给出了设计结果及优化方案。最后,采用Zemax光学设计软件对系统进行了光线追迹和优化,结果表明,成像光谱仪工作在8 ｍ~12 ｍ波段,有效焦距为-0.67 mm,侧向视场为40~80,F#0.9,像点弥散斑RMS半径为20.116 m,在一个像元直径内,MTF在16 lp/mm处均高于0.5,且各视场一致性较好,OPD像差在0.4范围内,成像质量良好。     

Analysis of a moderate resolution Fourier transform imaging spectrometer

A moderate resolution Fourier transform imaging spectrometer based on a modified Michelson interferometer is presented. The moving part of the interferometer is a moving wedged prism (MWP) instead of a moving mirror. The principle of the interferometer is described and the optical path difference as a function of the displacement of the MWP is calculated. Theoretical calculation and analysis are presented for the two moveable directions (hypotenuse and right angle side) of the MWP. The modified Michelson interferometer is not so sensitive to the non-uniform variation of moving speed and the environmental vibrations compared with the conventional Michelson interferometer. It is compact and has a large numerical aperture. The interferometer facilitated by CCD camera and the accompanying digital hardware and software are becoming the imaging spectrometer with moderate resolution is applicable in ultraviolet-infrared region.     

Transparent Fourier transform spectrometer

We realized a transparent Fourier transform spectrometer and investigated its operating principle. The spectrometer consists of a low-reflectivity Fabry-Perot interferometer and a partially transparent photodetector, which allows for the operation of the spectrometer in transmission. By changing the distance between the low-reflectivity mirrors of the Fabry-Perot interferometer, the light intensity that reaches the partially transparent photodetector is modulated and the spectral information of the incident light is determined by the Fourier transform of the generated photocurrent. This transparent Fourier transform spectrometer allows easy miniaturization and integration into any kind of optical system.     

Miniaturized time-scanning Fourier transform spectrometer based on silicon technology

We present a miniaturized Fourier transform spectrometer (FTS) based on optical microelectromechanical system technology. The FTS is a Michelson interferometer with one scanning mirror. A new type of electrostatic comb drive actuator moves the mirror. We have measured a nonlinearity of the driving system of +/-0.5 mum for a displacement of 38.5 mum . A method is presented to correct the spectrum to get rid of the nonlinearity. The driving reproducibility is +/-25 nm. The measured resolution of the spectrometer after the phase correction is 6 nm at a wavelength of 633 nm.     

全反射式高分辨率傅里叶成像光谱仪的研究

提出了一种基于分波前干涉结构的全反射式高分辨率傅里叶变换成像光谱仪。其中前置望远系统及干涉成像系统都采用了反射式光学元件,反射表面镀金属反射膜,使系统可应用与很宽的光谱范围内。分析和讨论了光谱仪的工作原理及光学结构,设计了两种可行的光路结构图,并通过初步实验验证了系统的基本性能。     

Time-domain surface profile imaging via a hyperspectral Fourier transform spectrometer

We describe a method for time-domain surface profile measurements via white-light reflection spectroscopy using a hyperspectral Fourier transform spectrometer (HS-FTS). This technique measures the frequency of the spectral modulation of reflected light from a multilayer optical surface and reports the spatially resolved optical thickness. Owing to the Fourier relationship, the Fourier transform spectrometer manifests this spectral modulation as temporal satellites in interferogram space. We show that measurement of the positions of these satellites can be used to reconstruct the optical thickness profile over a surface using the HS-FTS.     

Fourier transform emission lifetime spectrometer

We report a rapid and low cost Fourier transform spectrometer that uses a path length modulated Michelson interferometer to simultaneously measure excitation spectra and excitation wavelength-dependent emission lifetimes. Excitation spectra and lifetimes of excited tris(2,2'-bipyridyl) ruthenium(II) measured using this technique corresponded to values known in the literature. Excitation-dependent lifetimes of porous silicon measured with this technique suggest the influence of quantum confinement effects. This method may be useful for measuring mixtures of emitting species with closely spaced lifetimes as well as studying excitation wavelength-dependent emission phenomena.     

Field-compensated birefringent Fourier transform spectrometer

A field-compensation method applied for Savart birefringent Fourier transform spectrometer is presented. By using a combination of Savart plates fabricated from positive and negative birefringent materials, the useful solid angle of field of view can be increased by a large amount in broad spectral coverage. Compared to the conventional Fourier transform spectrometers, the compensated field angle has optical throughput higher by one order in magnitude. To demonstrate the effectiveness, a design example operating at 400-1100 nm with a large solid angle exceeding ± 40° is presented in detail.