基于AOTF的新型成像光谱系统

声光可调谐滤波器(Acousto-optic Tunable Filter,AOTF)是一种新型电控滤光元件,具有波长任意选择、光谱扫描速度快、体积小、无运动部件、环境适应性好等诸多优点。分析了AOTF的工作原理及多频模式下实现光谱分辨率可编程的方法,介绍了基于AOTF的新型成像光谱系统,给出了初步的实验结果。该系统工作于可见近红外波段,突出特点为光谱扫描波段、各波段光谱分辨率均可通过软件进行配置,因此相比于传统成像光谱系统具有更高的灵活性和数据效率。

基于AOTF的光谱响应可编程成像光谱系统关键技术

基于声光可调谐滤波器(Acousto-Optical Tunable Filter,AOTF)的多频工作模式,提出了一种成像光谱系统光谱响应可编程的技术.阐述了该技术的原理方法,介绍了光谱可编程的测试结果,包括对滤光波长、光谱分辨率及滤波通带形状的软件控制.在此基础上,研制了一套光谱可编程成像光谱系统的原理样机并进行了初步的成像实验.通过实验结果证明了该技术的工程可行性和技术优势,为提高成像光谱系统的效率和灵活性提供了一种新的途径.

画幅式层析成像光谱系统设计和实验研究

文章介绍一种无需时间或空间扫描的新型成像光谱仪—利用位相光栅作为分束器件的计算层析成像光谱仪 (CTIS)。重点介绍了各个系统的设计原则和位相光栅的设计 ,并给出了光栅的设计结果。详细介绍系统矩阵的实验定标方法和过程。叙述了自然光照明条件下真实物体组成的靶标的光谱成像实验 ,对目标实验采样的数据进行重构处理 ,给出了实验结果。

一种新型静态成像光谱系统的研究

静态干涉系统具有稳定性好、抗干扰能力强的优势,但其缺点是光谱分辨率低并且光谱测试范围不易调整。针对静态干涉型成像光谱系统光谱分辨率低且不可调等问题,设计了一种新型静态成像光谱系统。系统由光束整形模块、新型静态干涉调制模块以及成像模块构成。光束整形模块将入射光缩束并整形为平行光,进而保证入射干涉具后可以获得较好的干涉效果;新型静态干涉调制模块对入射光进行相干处理。在双折射干涉结构的基础上进行了改进,在不改变原有静态干涉具尺寸的基础上提高了系统的光谱分辨率,并实现了光谱分辨率的静态调制;成像模块完成对目标区域二维可见光图像的采集。系统核心部件由两组光轴相互正交的Wollaston棱镜作为分光器件,在两棱镜间放置电光调制模块,实现光程的静态扫描。分析了新型静态成像光谱系统的工作原理,给出了入射角、折射角等主要参数的函数表达式,并构建了系统的数据模型。通过绘制系统光线追迹图的方式,得到了该系统横向剪切量的函数方程,并对影响横向剪切量的各个参数进行了分析与讨论。通过仿真计算了改变结构角、晶体厚度以及调制度等参数对横向剪切量的影响程度,并定量计算了两个参数对系统光谱分辨率的影响程度。由仿真分析结果可知,增大结构角与加宽调制晶体厚度都可以为系统提供更大的光程差。故通过电光调制的方式实现横向剪切量的静态扫描是可行的,可以实现静态光谱图像的获取。在实验中对660nm激光进行了测试。新型静态干涉模块采用孔径20mm×20mm,厚度10mm的两块光轴相反的Wollaston棱镜与厚度10mm的电光调制晶体构成。当调制度分别是0.000 2和0.000 6时,成像模块采集得到干涉条纹具有明显差异。当调制度增大时,其干涉条纹密度增大,说明采用越大的调制度,系统对应的光谱静态扫描能力越强,对光谱分辨率的控制越好。由此可见,本静态成像光谱系统在控制电光晶体调制度的条件下具有光谱分辨率可调的特性,验证了系统的可行性。

多光谱成像系统法评价大白菜-甘蓝易位系叶色

叶片既是大白菜的光合作用器官,也是商品器官。叶色是叶片重要性状,本研究采用多光谱成像系统法,对262份大白菜—甘蓝易位系的叶色进行观测,并与人为目测法、叶绿素测量仪法进行比较、验证,结果表明3种评价方法结果极显著相关(P<0.01)。混淆矩阵分析表明,多光谱成像系统法能够在叶色鉴定上具有较好的稳定性。多光谱成像系统法鉴定值区间范围大,为区分叶色微小差别提供了可能,为大白菜叶色精准、快速评价提供了方法。大白菜—甘蓝易位系群体的叶色遗传多样性和均一度分析表明叶色变异丰富,涵盖了浅黄色、浅绿色、绿色、灰绿色和深绿色等表型,为大白菜新品种选育提供新种质。

宽波段光谱成像系统杂散光分析及抑制

宽波段光谱成像系统(0.4~1.7μm)在食品检测、农业生产、医学分析、刑事侦查等领域有广泛需求,光栅因其具有高色散本领和高环境稳定性的特点,成为宽波段光谱成像系统主流分光元件,但采用光栅分光的光谱成像系统存在多级次衍射光谱互相串扰问题,严重影响仪器的探测能力,为了得到准确的光谱信息,需对其进行有效的抑制。文中利用Tracepro光学分析软件对宽波段光谱成像系统的多级次衍射杂散光进行仿真分析,发展了利用分区域滤光片和线性渐变带通滤光片来抑制多级衍射杂散光的方法,并分析比较了它们对多级衍射杂散光的抑制效果。仿真分析结果表明:线性渐变带通滤光片能够有效地抑制多级次衍射带来的杂散光,光谱成像系统杂散光系数降低至10^(-4)量级,满足宽波段光谱成像系统对杂散光抑制要求。

星载高光谱成像系统发展综述

高光谱遥感技术通过记录地表物体在多个连续波段下的光谱信息,实现高精度的地球观测与分析。为了获取更多地物目标的细节信息,研究人员提出了对高光谱成像系统各项参数指标的新要求,国内外开展了大量相关研究。随着卫星技术的成熟,高光谱遥感平台从最初的机载平台逐渐发展到星载平台,促进了高光谱遥感图像在地质、农林业、环境监测等领域的广泛应用。目前,多数光谱成像系统选用传统的光学器件来实现分光,将计算光学与高光谱遥感结合,有利于集成更紧凑便捷的成像系统。文章首先介绍了高光谱成像系统的主要类型和原理,随后对近30年来典型的星载高光谱成像系统及载荷进行了综述,梳理了典型国内外星载高光谱成像系统的发展现状,并对不同国家成像系统的性能指标进行了对比分析,总结了相应的发展历程,并对未来星载高光谱成像系统的发展作出了展望。

基于双高斯的紧凑型偏振光谱成像方法设计与研究

对目标进行更多属性信息的获取,是光学传感器不断追求的目标。偏振属性探测和传统光谱成像技术相结合的偏振光谱成像技术具有分辨“异物同谱”、实现“目标凸显”、“动态调节”、“耀斑抑制”的能力,蕴藏非常重要的应用潜力。目前的偏振光谱成像系统存在诸多的缺点,如结构复杂、体积大、通道串扰、多维信息提取繁琐等问题。针对上述问题,提出一种基于线性渐变滤光片(LVF)和像素化偏振调制的紧凑型偏振光谱成像方法。涉及关键技术有:基于高光谱分辨率需求与短焦距约束,采用双高斯结构作为初始光学结构,并通过参数设计进行光学系统的仿真与实现;采用LVF作为分光元件,进行参数设计与验证,与像素化偏振调制探测器在像面上进行耦合,实现光谱信息与偏振信息同步获取。基于上述技术路线进行了样机集成,在实验室暗室对系统样机进行光学指标测试,最终指标为:工作波段:430~880 nm,空间分辨率:0.22 mrad,光谱分辨率为:10 nm,四偏振态同步获取,系统传递函数:0.547,偏振探测精度:89.4%,光机系统总尺寸:45 mm×45 mm×80 mm。在室外进行推扫实验,成像效果良好,中心波长不同偏振态下的单色图有较明显的强度变化;对全局图像进行多维信息提取与融合,不同地物的特征光谱曲线有明显的波谱差异,满足预期设计目标。该方法突破了传统偏振光谱成像技术路线的缺点,为偏振光谱成像多维信息获取提供了一种新型且有重要应用价值的方法。

长波红外高光谱成像系统的设计与实现

针对长波红外高光谱系统背景辐射强以及信噪比低的特点．设计了能有效抑制背景辐射的长波红外精细分光光谱成像系统。利用杂散辐射分析软件，对系统进行了背景辐射分析，包括全波段各辐射面源对背景辐射的贡献分量、各光学通道的背景辐射、机械内壁吸收率对背景辐射的影响、以及光机内壁温度对背景辐射的影响。主要通过制冷光机系，统的温度、抛光亮化处理光谱仪的内部表面，降低系统的背景辐射。搭建了一套地面实验装置，该系统光谱范围为7．7～9．3p,m，光谱分辨率为54nm，空间分辨为0．75mrad，推扫式成像。整机的测试结果表明，系统的光谱分辨率（SRF）达到了预先设计的要求值，低温150K时，系统的噪声等效温差NETD接近300mK。

高光谱成像系统在中医舌诊中的应用研究

舌诊是传统中医诊病的重要方法,然而传统舌诊中存在一个很大的问题是具有主观性,难于进行定量化描述.随着计算机技术的发展,图像处理和模式识别技术正在用于舌诊的辅助诊断.目前舌图像的采集方法基本都是使用数码相机,所提供的舌图像包含的病理信息有限,使得分析算法非常复杂且效果不甚理想.针对这种情况,提出使用高光谱成像系统代替数码相机进行舌图像的采集.由于高光谱舌图像具有丰富的图谱信息,初步试验表明了这一方法的有效性,为中医舌诊提供了一种新方法.

新型分子高光谱成像系统性能分析及数据预处理

将分子成像技术和高光谱技术相结合,研制了基于AOTF(Acousto-optic Tunable Filters)的分子高光谱成像系统。系统由显微镜、分光仪、CCD镜头、图像数据采集卡和计算机等几部分组成。在综合考虑各功能部件的性能及相互的制约关系的基础上,分析了系统的性能指标,系统的光谱范围从550～1 000nm,可采集200个波段,空间分辨率可达0.061 5μm,光谱分辨率可达2nm,当CCD工作在积分模式下采集速度可达到2.612 5s.B-1,当CCD工作在非积分模式下可达到约0.11μs.B-1。由于受系统光源和光路中透镜及传感器性能的影响,采集到的图像数据需要进行预处理,文中提出一种空间维和光谱维联合校正的灰度校正系数算法,并给出算法的具体实现。以白血病的血液作样本,通过对比校正前后的单波段图像、伪彩色图像和光谱曲线,说明校正算法的有效性,为后续的光谱图像数据分析提供了有效的数据。

红外高光谱成像系统光学设计及检测

为了建立一套星载红外精细分光光谱成像系统的地面实验装置,设计了一套红外高光谱推扫式成像光学系统。该系统由望远物镜和分光计两部分组成,选用锗和硒化锌两种红外材料,采用平面闪耀光栅分光,光机系统后接制冷型红外面阵探测器。其光谱覆盖7.7～9.3μm(根据红外焦平面阵列FPA的光谱响应范围而定),视场角达12°,光谱分辨率为54 nm,空间分辨为0.75 mrad,光机模块尺寸为100 mm×300 mm×100 mm。整机的测试结果表明:光学系统成像质量完好,光谱分辨率SRF达到了预先设计的要求值,噪声等效温差NEDT接近300 mK。该系统的设计及整机测试为红外高光谱成像系统的进一步实用化提供了技术基础。

星载高光谱成像仪光学系统的选择与设计

对几台国内外典型的星载高光谱成像仪所采用的光学系统结构进行了分析,阐述了棱镜色散、光栅色散、傅里叶变换3种主流高光谱成像仪分光方式的结构原理和优缺点。根据宽波段、小型化的研究目标,设计了一个全反射式高光谱成像仪光学系统。该系统由离轴非球面三反射镜望远成像系统和两个Offner凸光栅光谱成像系统组成,通过改变两个光谱成像系统的变倍比来实现两种探测器的匹配。给出的该系统的详细设计结果显示,光学系统128个谱段的调制传递函数均达到0.6以上,畸变<0.44%,谱线弯曲<0.03%。实验结果表明,选定的全反射式光学系统满足小型化星载高光谱成像仪的技术要求,有效降低了仪器的体积和质量,通过加大光学系统的相对孔径弥补了光栅衍射效率低的缺点。

谐衍射中、长波红外超光谱成像系统设计

为了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3．7～4．8μm和长波红外8．5～12μm的2个谐振波段内获取二百多个不同波长的图像信息。设计结果显示，在中波红外波段18lp／mm处，光学调制传递函数〉0．52；长波红外波段13lp／mm处，光学凋制传递函数〉0．51；光学系统的点斑均方根直径在中波红外波段小于279m，在长波红外波段小于34μm。得到的结果表明，光学调制传递函数在各个波长处均接近衍射极限，点斑的均方根直径完全可以与国内现有探测器的像元尺寸匹配。

基于高光谱成像技术的中医舌象辅助诊断系统

中医舌诊是传统中医的一种重要诊断方法。由于舌诊是一种定性的、主观的和基于经验的诊断方法,从而制约了中医舌诊在临床医学上的广泛应用。针对中医舌诊现代化中存在的问题,开发研制了一种基于高光谱成像技术的舌象辅助诊断系统。这一系统包括高光谱舌图像采集、图像存储、特征提取和辅助诊断几部分。系统使用高光谱成像技术代替通常使用的数码相机进行舌图像采集,并对高光谱舌图像进行了图像和光谱特征提取,然后使用贝页斯分类器初步建立起了舌象特征与病症之间的联系,最后通过初步试验证明了这一系统的有效性。

地面成像光谱辐射测量系统及其应用

系统介绍了自主研制的基于制冷面阵CCD地面成像光谱辐射测量系统(field Imaging spectrometer system,FISS)的成像原理,结构设计,主要指标参数和数据处理流程等。利用室内布设的精确标志点和野外测量数据纠正了FISS系统几何畸变;利用自行开发的光谱定标软件对FISS系统进行波长定标,确定了各通道中心波长和全波半高宽;在室内,以积分球为光源,对FISS系统逐波段进行了绝对辐射定标,定标精度优于5%,并建立了各种测量条件下绝对辐射定标系数查找表;最后,利用FISS系统样机进行了大量室内和野外测量实验,并基于获取的部分数据做了作物-杂草识别、近海岸海洋环境试验、牛奶品种识别和植物生化参量反演等研究。研究结果表明,FISS系统能够成功地用于上述领域的研究,并在地质、食品、农业、林业和城市等领域也具有强大的应用潜力。

热红外高光谱成像系统的背景抑制和性能优化

在分析热红外高光谱成像系统主要技术参数之间的制约关系的基础上,针对热红外高光谱成像系统目标能量微弱、背景热辐射严重等难点,提出了几种有效抑制背景辐射的措施,并建立了一套高背景抑制的热红外高光谱推帚式成像实验装置,实现了地面试验成像.根据冷背景实验结果,分析了热红外高光谱成像系统的性能和各种影响因素的关系,并提出了系统性能优化的可行性.

大相对孔径宽波段Dyson光谱成像系统

提出了一种改进型Dyson光谱成像系统,以克服传统Dyson光谱成像系统焦平面探测器安置困难的缺点。首先,基于折射球面罗兰圆理论,提出了这种改进型Dyson光谱成像系统的光学设计方法。然后,利用MATLAB软件编制了初始结构参数快速计算程序。作为实例,设计了一个相对孔径为1/2,波段为200～1000nm的Dyson光谱成像系统。利用自己编制的MATLAB程序计算了初始结构参数,利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱成像系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析。分析结果表明,在整个工作波段(200～1000nm)内,点列图半径均方根值小于4.2μm,实现了大相对孔径宽波段像散同时校正,在宽波段内同时获得了良好的成像质量,满足设计指标要求。得到的结果验证了所提出的光学设计方法是可行的。

农畜产品安全无损检测扫描式拉曼光谱成像系统设计

构建了用于农畜产品安全检测的扫描式拉曼光谱成像检测系统，对其硬件和软件分别进行了搭建和设计，实现了拉曼光谱和图像同步获取。根据检测的实际需求和精度要求确定了检测系统中拉曼成像光谱仪、CCD相机、镜头、激光光源、移动平移台等主要元器件。开发了拉曼光谱成像检测系统实时检测与分析软件。软件以LabView为主开发环境，实现了对CCD相机、激光光源等硬件的控制，利用LabView与Matlab混合编程，完成数据的提取、分析计算与结果保存，通过LabView与ENVI的混合编程，完成扫描线图像的实时合成和显示。对系统进行了安装和性能测试，光谱校正确定了CCD相机探测的拉曼光谱范围为-679.3~2885.7cm-1，空间校正确定了系统实际的空间分辨率为0.22mm/像素。构建的拉曼光谱成像检测系统可快速、无损获取样品拉曼光谱和图像信息。

可见光液晶光谱成像系统研究

利用向列相液晶材料的电控双折射效应，研制了刚于可见光波段光谱调谐的大口径液晶町调滤光片，透过光谱测试表明，该滤光片在可见光波段（420－700nm）以20nm光谱分辨率可实现连续调谐和任意波长选择。利用该滤光片搭建了一种小型光谱成像系统，并在实验室内对若于样品进行了测试，结果表明，该系统可同时实现高图像分辨率和高光谱分辨率光谱成像，具备高、超光谱分辨率光谱成像的应用潜力，在化物医学、环境保护和资源探测等领域具有较好的应用前景。