高分辨和超分辨光学成像技术在空间和生物中的应用

大到天文光学望远镜观察浩瀚的宇宙,小到光学显微镜探察细微的纳米世界,光学成像技术在人类探索和发现未知世界奥秘的活动中扮演着至关重要的角色.看得更远、看得更细、看得更清楚是人们不断追求的目标.传统光学理论已证明所有经典光学系统都是一个衍射受限系统,即光学系统空间分辨率的物理极限是由光的波长和系统的相对孔径(或数值孔径)决定的.能否突破这个极限?能否不断提高光学系统的成像分辨率?围绕着这个问题,本文综述了近年来开展的各种光学高分辨和超分辨成像技术,及其在空间探测和生物领域中的应用.

基于连续变焦的大口径长焦距的探测成像一体化光学系统设计

为实现空间目标的探测与精确识别,设计了一种基于连续变焦结构兼顾大孔径和长焦距的探测成像一体化光学系统,实现了短焦大视场探测,长焦小视场成像的目的。系统采用里奇-克列基昂(RC)结构加校正镜与变焦结构通过光瞳匹配进行结合的方式,使用两片反射镜压缩光路,系统工作于450~850 nm的光谱范围内,焦距为700~3500 mm;探测端焦距为700 mm,F数为2.5,视场角为0.5°×0.5°;成像端焦距为1400~3500 mm,F数为5~12.5,视场角为0.18°×0.18°。该系统具有探测能力强、成像质量佳、系统总长短、变焦凸轮曲线升角小等优点。

浸入式光栅衍射强度图样研究

基于浸入式光栅与普通光栅的特性差异,推导了浸入式光栅的光栅方程,研究了浸入式介质吸收对单缝衍射和多光束干涉强度分布的影响,得到经修正的单缝衍射因子和多光束干涉因子,推导出存在介质吸收情况下的光强分布公式.分析结果表明:该公式更具有普适性,单缝衍射强度分布公式、多缝衍射强度分布公式以及平行平板多光束干涉强度分布公式均为该修正公式的特殊情况.

大口径折反式星敏感器光学系统的光路设计

为提高星敏感器探测极限星等的能力,采用改进型卡塞格林系统、光阑校正球面透镜组和视场校正球面透镜组相结合的结构,设计了一种光谱范围为450~950nm、半视场为1.4°、入瞳直径为250mm、焦距为425mm,且能够矫正像散、场曲和畸变的大口径折反式星敏感器光学系统.基于像差理论的系统初始结构参数计算和Zemax软件光线追迹的优化设计,光学系统的次镜遮拦比为0.43,成像点80%的能量集中在30μm内,最大畸变为0.081%,光学传递函数在奈奎斯特频率34lp/mm处大于0.75,最大倍率色差为1.138μm,满足星敏感器对成像的要求.对光学系统进行公差分析,在20次蒙特卡罗分析结果中,第13个结构的绩效函数最好,为4.97516μm,第20个结构的绩效函数最差,达到7.79957μm.通过对20次蒙特卡罗结构的绩效函数分析,所选定的公差值能够很好地满足光学系统性能基本要求,为加工和安装过程中的误差提供依据.

大视场超紧凑探测光学系统设计

为了实现对14等星目标的精确探测,本文设计了一个大视场的探测光学系统。首先,根据选定的CCD231-84 E2V光电探测器计算了系统入瞳和焦距等初始参数,依据选定的参数进行了初始结构的选型,选定了马克苏托夫望远镜的形式并对其进行了改进。然后,对设计结果进行了探测性能分析。最后,对设计好的系统进行了公差分析及优化,使它能满足加工装配需求。设计与分析结果表明:该探测光学系统折反射镜全表面采用球面,系统总长350 mm,全视场30μm包围能量分布均在86%以上,最大畸变小于1%。该系统视场大、结构紧凑、装调难度低、探测灵敏度高、探测范围广,可用于目标的精确探测。

Φ450mm口径空间天文相机轻量化碳化硅主反射镜组件设计

针对某空间天文相机对轻量化、光学效率、杂光抑制与探测能力的需求,设计Φ450 mm口径碳化硅主反射镜,镜体轻量化率超过70%;选取线膨胀系数匹配的殷钢材料,设计基于两脚架柔性结构的侧面支撑以消除装配应力和热应力,通过渗硅改性获取高反射率光学镜面。光学加工完成后反射镜质量7 kg,反射率优于98%。在严格的工艺条件控制下,对反射镜组件进行精密装配。光学检测结果表明,反射镜装配完成后面形误差优于0.02λRMS,与分析结果吻合。证明了空间天文相机主反射镜组件结构设计方案与装调工艺的合理性,满足空间天文相机光学设计要求。

声光可调谐滤波器成像光谱仪光学系统设计

为了获得工作谱段范围在400～900 nm声光可调谐滤波器(AOTF)的成像光谱仪系统的二维空间信息、一维光谱及偏振信息,设计了一种应用于AOTF成像光谱仪的光学系统。介绍了AOTF的工作原理,根据AOTF光谱成像仪总体方案,对光学系统的物镜、准直镜及成像镜进行了合理的光学参数分配。设计中采用CODE-V光学设计软件模拟AOTF的多级衍射,在晶体中心即孔径光阑共轭的位置处设置了一块透射式光栅来模拟晶体的偏转,成像镜同时收集由AOTF产生的正交偏振的正、负一级衍射图像,整个系统采用了3种光学玻璃,最终完成了一个设计质量在32 lp/mm的空间频率下,调制传递函数(MTF)均值为0.75的光学系统。

双胶合透镜法检测大相对孔径凸非球面透镜

大相对孔径凸非球面的检测一直是非球面制造的难点.本文结合两片大相对孔径凸椭球面透镜的检测,提出采用同种材料胶合的检测方法,并基于该检测方法加工得到了相对孔径分别为2.7和2的两块凸椭球面透镜.经检测,两块非球面透镜检测系统的最终波像差均方根值都优于1/30λ(λ=632.8nm),在实际光学系统应用中,系统的分辨率和弥散斑大小均满足系统的指标要求.产品的使用情况验证了本文采用的同种材料胶合的检测方法在理论和实践上是可行的,与传统的光学补偿法检测大非球面度、高陡度非球面相比,本文采用的胶合透镜法极大地简化了检测系统结构,降低了系统的装调难度,是一种有效的高准确度凸非球面检测方法.

基于自由曲面的大相对孔径大视场光学探测系统

为了实现空间碎片探测对探测光学系统灵敏度、探测时效性、孔径和总长等的需求,设计了一种大相对孔径大视场空间光学探测系统,并依据探测器指标与目标特性,确定了系统的设计参数,实现了12.5等星的探测。系统采用非对称双高斯透镜组光学结构,工作波段为450~850 nm,视场角为20°,F数为1.05,入瞳口径为150 mm。采用XY多项式自由曲面设计了系统中的一个透镜前表面,分析结果表明,该系统弥散斑均处于2×2个探测像元内,全视场在2×2个像元内的包围能量占比在86%以上,最大畸变小于1.4%。该探测系统结构紧凑,孔径合理,探测效果好,探测灵敏度高,时效性强;所使用的材料性能满足空间使用条件,且与光学加工能力匹配。所设计的探测系统可用于空间碎片的精确探测。

变厚变曲率反射镜及其在空间相机中的应用

变曲率反射镜是一种主动光学元件,通过改变自身曲率半径实现对波前的动态控制。首先对变曲率反射镜国内外现状及发展趋势进行了综述;其次,建立了变厚变曲率反射镜形变物理模型,对兼顾大中心形变与高面形精度的机理进行了理论分析,并通过形变的面形精度保持实验对其性能进行了验证;最后,从三个方面探索了变厚变曲率反射镜在空间光学相机中的应用:1)针对大变倍比变焦成像对反射镜超大中心形变的要求,设计了基于有限元迭代并叠加高阶球差的反射镜优化流程,实现了近毫米级中心形变反射镜设计;2)针对空间光学相机成像对调焦精度及速度的要求,提出了基于次镜变曲率反射镜的高精度大动态调焦方法;3)提出了积分时间内利用变曲率次镜沿光轴方向快速扫描的编码成像方法。

一种基于图像上下文信息的无监督彩色图像分割算法

提出一种基于图像上下文信息的彩色图像无监督分割算法.根据传统马尔可夫随机场(MRF)势函数的定义,引入图像邻域内每两像素间亮度欧氏距离及空间位置信息.完善传统马尔可夫随机场模型中的势函数.将分割问题转化为最大后验问题并运用迭代条件模型求解.运用K均值算法在设定的分类数范围内初始化分割,运用最小消息长度准则选择最佳分类数.实现无监督分割.实验中,将合成图像及真实图像用于分割过程并与其它算法比较,证明本文算法更具优势.

强度叠置联合变换相关像移测量方法

为了实现像移测量装置的高速、高精度和小型化,提出一种改进的联合变换相关方法。该方法使用两幅待检测图像强度叠加的方式构造相关输入图像,利用卫星推扫运动所产生的系统像移实现自相关峰和互相关峰在空间上的分离。用于相关运算的图像被缩小到与待检测图像尺寸相当,大幅度降低了测量过程的计算量,从而有利于高速数字联合变换相关器的实现。仿真和实验测试结果表明:所提方法保持了传统联合变换相关像移测量方法的高精度、抗噪声能力强和对图像纹理不敏感的特点,并具有实现高速像移测量的潜力。