基于DMD的哈达玛变换成像光谱仪中交错编码像素点的研究

近年来在哈达玛变换成像光谱仪研究领域中最重要的技术革新在于数字微镜器件在这种光谱仪中的应用,但同时也带来了一些相应的技术问题需要克服。详细的描述和分析了由于数字微镜器件在哈达玛变换光谱仪中的应用导致的编码图像上的部分像素点出现的一种交错编码现象;这种特殊的像素点,编码过程不符合哈达玛变换,在光谱复原过程中需要特殊处理。针对这种交错编码像素点,提出了一种标识方法和解码方法。实验中,向光谱仪中导入一束激光并充满整个视场,在编码的激光图像中确定交错编码像素点的位置。然后变换编码模板上哈达玛编码码道的空间位置,采集两组针对目标的编码图像,通过观察编码图像上一个像素点的灰度值组成的列向量中非零常量与零元素的个数,可以分辨它是否是一个交错编码像素点。其中一组编码图像上交错编码像素点光谱曲线可以通过对另一组编码图像上相应位置的像素点进行哈达玛反变换得到。实线结果证明了这一方法的可行性。     

数字微镜哈达玛光谱仪谱线弯曲的分析与修正

由于数字微镜（digital micro-mirror device, DMD)哈达玛变换光谱仪其成本低,光能利用率高及无运动部件等优势,逐渐成为光谱仪领域的研究重点。研制了一款基于DMD的哈达玛变换光谱仪。为了解决光谱仪谱线弯曲造成的光谱分辨率下降的问题,对基于DMD的哈达玛变换光谱仪中的谱线弯曲所引起的谱带混叠进行了分析。首先,导出了谱带混叠与谱线弯曲的关系式。然后,提出了两个过程来解决谱带混叠,一是通过调整DMD编码条纹,使DMD所编码的谱带最大限度地与标准谱带重合; 二是通过数据处理对谱带混叠进行修正。最后,通过对谱线曲率半径为5.8×104,7.8×104和9.7×104 μm等六种情况下谱带混叠进行了分析与修正,拟合出光谱混叠和修正效果与谱线曲率半径的关系。结果表明： 对于不同程度的谱线弯曲经过这两个过程修正后,分辨率都会改善到接近光学系统的分辨率, 说明这两个过程对修正谱线弯曲具有普适性、并且方法简单、有效。     

哈达玛变换光谱成像仪光谱响应非均匀性修正

哈达玛变换光学是近些年发展起来的一门新技术,已经被广泛应用于目标设别、微弱信号检测等领域。基于DMD的哈达玛变换光谱成像仪是一种新型的色散型光谱成像仪。介绍了哈达玛变换成像原理,在自行研制的哈达玛变换光谱成像仪基础上,从光谱定标的角度,研究了哈达玛变换光谱成像仪获得的编码图像的光谱响应非均匀性。针对哈达玛变换光谱成像仪获得的光谱图像中叠加非均匀性噪声及光谱混叠影响光谱复原精度的问题,首次在该光谱成像仪上利用辐射度相对光谱修正和绝对光谱修正算法,对光谱响应非均匀性进行修正。仿真计算和实验结果表明,对于哈达玛变换光谱仪采集的七个波段的光谱图像,修正后的光谱曲线与辐射度计获得的谱线精度非常接近,使复原光谱的误差在2.4%～4.2%的范围,满足实验室和工程应用的技术要求。     

哈达玛激光反潜系统

本文介绍的哈达玛激光反潜系统有效地解决了回波信号极其微弱（主要指信嗓比低）的致命缺陷。它同时具有精密测距和高分辨率成像的功能。     

哈达玛变换光谱仪混合像元解混方法研究

哈达玛变换光谱成像仪是一种采用多通道探测的数字变换光谱技术,介绍了基于数字微镜阵列器件(DMD)的哈达玛变换光谱仪工作原理与仪器结构,对成像传感器所获得的混合像元进行了分析研究,理论推导出了混叠像元的解混合方法,仿真实验结果表明该方法简单有效,对提高混合像元复原光谱精度超过10%。     

压缩感知光谱测量局部哈达玛矩阵的构造与性能

针对压缩感知光谱测量中随机矩阵作为测量矩阵无法获得高质量重建精度问题,提出了一种测量矩阵构造的新方法。介绍了局部哈达玛矩阵的构造方法,以随机测量矩阵为比较对象,通过仿真实验对局部哈达玛矩阵在压缩感知光谱测量中的性能进行分析。实验结果表明,相对于随机矩阵,新型局部哈达玛矩阵下的重建光谱与原始光谱重合度大大提高,在100%采样率时,定量指标MSE为3.2,实现了光谱的精确重建,25%采样率的MSE指标水平已经与随机矩阵100%采样率时相当,局部哈达玛矩阵可以有效的改善光谱重建的精度;光谱重建时间大约缩短到1/3,系统具有更好的信噪比特性。     

基于小波树和哈达玛矩阵的自适应快速三维压缩成像方法

针对光子计数系统实现三维成像速度缓慢的问题,提出一种基于小波树和哈达玛矩阵的自适应快速三维压缩成像方法。利用哈达玛矩阵调制投影图案提高采样效率,被调制的短脉冲结构光照射场景,单像素光子计数探测器采集回波。通过分析低分辨率图像的小波树选择采样区域,使用哈达玛矩阵调制所选采样区域得到的投影图案,可采集图像细节,多阶段采样后利用哈达玛反变换恢复出高分辨率图像。实验结果表明,采集并恢复出一幅512×512像素的三维图像的时间最快可达到41 s。     

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.     

双色散二维阿达玛变换光谱仪

设计了一种双色散二维调制的阿达玛变换光谱仪,利用光栅在水平方向的谱级色散和棱镜在垂直方向的谱线色散进行二维分光。与传统的二维光谱CCD探测方法不同,该设计独辟蹊径,采用面阵数字微镜对二维光谱进行阿达玛调制,并利用单点式检测器进行光信号的检测。理论计算及光学仿真表明,与传统的二维光谱探测仪器相比,该光谱仪不仅具有高的分辨率,同时还具有很高的信噪比。     

基于数字微镜技术的阿达玛变换近红外光谱仪

构建了一个基于数字微镜技术的新型阿达玛变换近红外光谱仪.光学信号采用光纤引入,以光栅作为分光元件,利用数字微镜代替传统的机械式阿达玛模板进行光学编码调制,使用单点InGaAs红外探测器检测调制后的光信号,通过快速阿达玛解码还原出原始光谱.通过实验检验了光谱仪的分辨率、信噪比、稳定性以及谱图获取速度等指标.实验结果表明,...     

中波红外景象投影光学系统消热差设计

针对红外成像系统性能测试与评估的应用需求,设计了一套基于数字微镜器件的消热差的中波红外景象投影光学系统.探讨了红外视景仿真用投影光学系统的像差特性和设计方法,并对投影系统的无热化进行了分析.采用分光板和补偿板方案,解决了大相对孔径条件下投影系统的远心照明分光和像差平衡问题,提高了分辨率和均匀性,增大了视场.系统由远心投...     

数字微镜器件闪耀特性及其在全息显示中的应用

为了提高数字微镜器件的空间光调制性能,发挥其在全息显示和三维重构等方面的作用,研究了数字微镜器件的闪耀特性.结合数字微镜器件的物理结构,利用反射光栅理论分析了数字微镜器件的闪耀规律,进行了理论计算与实验修正,得出了其存在四个相对闪耀状态的结论,而通常实验所要求的24°角入射,为出现相对闪耀状态的最小入射角.据此,可在全息显示中选择恰当的入射角,改变数字微镜器件的闪耀状态,增强全息再现的视觉效果.以傅里叶变换全息为例进行了具体应用研究,通过再现光入射角的调节,可实现闪耀级次的调整,并增强了再现的视觉效果.实验表明,分析结果是正确的.     

基于DMD的区域积分时间可控成像

利用CCD(Charge Coupled Device)相机获取图像后常常存在区域过暗和过曝光的情况,而这两种情况都会掩盖该区域的细节信息。改变CCD相机的积分时间只能对获取的当前帧图像进行单一的积分时间增加或减小,不能同时处理一帧图像中光强过强和过弱的情况。因此针对DMD(Digital Micromirror Device)对每一个微镜片的翻转时间可控的特点,提出了一种区域积分时间可控成像系统,该系统可以通过控制DMD微镜片翻转时间来增加或者减少图像指定区域的积分时间。实验结果表明,该系统可有效地达到同时处理一帧图像中区域过暗和过曝光的目的。     

基于DMD的数字全息显示及其再现像质增强

采用DMD作为空间光调制器构建了一套数字全息显示系统.分析了数字全息图光学再现中影响再现图像质量的因素,提出了一种采用频域滤波重建高条纹对比度滤波全息图来改善其光学再现图像质量的新方法.采用信噪比及图像亮度作为评价参量,对原始全息图和滤波全息图的数值再现像进行定量分析表明,滤波后全息图的再现像质量明显优于原始全息图的再现像.基于DMD数字全息显示系统的光学再现实验也验证了理论分析结果.     

基于三维缺陷检测的DMD数字条纹投影光学系统设计

基于半导体行业中PCB焊膏印刷检测的实际应用,采用0.45 WXGA DMD芯片设计了数字条纹投影光学系统.以LED作为光源,结合透镜阵列照明DMD芯片;同时,为了减小投影三角关系造成的条纹周期不均匀性对检测结果的影响,采用双远心光路结构将DMD生成的条纹成像到待测表面,且适用的最小检测面积为1mm2.光学模拟结果表明,该数字投影系统在被投影表面上的照明均匀性为91%,投射条纹的对比度高于0.8,且条纹周期均匀,为实际应用与后续条纹分析提供了良好保障.     

一种数字微镜阵列分区控制和超分辨重建的压缩感知成像法

提出一种压缩感知成像框架结构.该结构采样端用新建的采样矩阵实现数字微镜阵列分区控制,可增强信息获取的准确性,测量得到与新数字微镜阵列对应的压缩采样值;重构端由采样值优化重构出低分辨率图像后,根据分区控制过程建立压缩感知理论框架下的超分辨重建模型,利用梯度稀疏约束优化算法进行求解,恢复出原高分辨率图像.实验结果表明:数字微镜阵列分区控制与超分辨重建相结合的方法可以明显降低压缩感知成像系统的计算量,缩短成像时间,并且具有较高的图像重构质量.     

基于数字微镜器件亚微米制备技术研究

为了实时、便捷的改变光刻图案以用于微纳光子器件制备,使用数字微镜器件构建了一套无掩模亚微米尺度制备系统.基于阿贝成像原理分析了周期结构在相干光照明下的成像过程,并用数值模拟以及空间滤波实验证明了这个过程.使用此实验系统制作出了周期为900 nm的二维结构以及周期为数十微米的带缺陷结构.实验表明,使用数字微镜器件可以方便的制作出亚微米尺度的图案.     

并行共焦测量中的并行光源技术综述

并行共焦测量技术的核心是将单点共焦测量变成多点同时扫描测量,从而使共焦测量速度显著提高。本文介绍了共焦测量技术原理,综述了用于并行共焦的并行光源技术,分析了这些方法的优点和不足。结合作者近年来的研究成果,重点阐述了基于微透镜阵列和数字微镜器件(DMD)产生并行光源的新方法。分析和研究了DMD的空间光调制机理,最终建立了一种单光源双光路并行像散共焦测量系统。