中波红外傅里叶变换成像光谱仪后置成像系统分析与设计

提出了一种基于多级微反射镜的静态化新型红外傅里叶变换成像光谱仪结构。系统不含狭缝和可动部件,因此光通量大、结构稳定。介绍了该成像光谱仪的工作原理和光程差的产生方式。根据系统原理对后置成像光学系统进行了分析与设计。结果表明:在-20℃~60℃的温度范围内,系统成像质量良好。全视场传递函数在CCD奈奎斯特频率17lp/mm处大于0.6。系统的均方根(RMS)最大光斑直径小于12μm,系统单个像元能量集中度大于80%,冷光阑匹配效率接近100%。以RMS光斑直径变化为标准,计算了系统的公差灵敏度矩阵,计算结果表明,后置成像系统0视场光斑尺寸小于16μm的可能性为97.7%。     

傅里叶变换光谱仪的红外探测器非线性校正

针对傅里叶变换光谱仪的红外探测器非线性,提出了一种适用于干涉图直流信号值缺失情况的非线性校正方法。针对需要实施校正的光谱计算基于带外虚假成分的相对校正因子,结合无需实施校正的光谱计算一致性校正因子。实验结果表明,实施本文所提非线性校正方法后,辐射定标曲线的线性拟合优度可以由校正前优于0.99提升至0.9999以上,且辐射标定后的各通道的辐亮度绝对偏差均不超过0.15 mW·m~(-2)·cm·sr~(-1)。相比已有的校正方法,所提方法避免了对干涉图直流信号的依赖性,但增加了对多个温度点黑体辐射定标数据的依赖性。一旦得到一致性校正因子后,在探测器稳定工作的前提下,可以实施对任一光谱图的非线性校正。     

二元光学双波段红外成像光谱仪

根据红外辐射的大气窗口特性、二元光学元件特殊的色散特性和多级衍射特性,提出了利用二元光学透镜的新型中波和长波红外双波段成像光谱技术,从理论上阐述了二元光学双波段红外成像光谱仪的基本原理和设计方法,实际例子证明了设计的可行性,利用此方法可研制轻型、价格低廉的双波段红外成像光谱仪.     

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。     

高通量傅里叶变换成像光谱仪调制度分析

介绍了高通量傅里变换成像光谱仪的概念,分析了其中使用的改进型Mach-Zehnder干涉仪的原理,计算出其光程差以及调制度.可以看出:要得到较好的调制图形,必须满足两像面夹角和像方孔径角都是小角的条件,且两个像点之间的横向距离和纵向距离越小越好.讨论了像面与探测器平面之间的横向和纵向偏差及CCD单元尺寸等因素对光谱仪调制度的影响.通过调节各参量,三种调制度都可以达到90％以上,能够满足光谱仪应用需求.     

新型傅里叶变换光谱仪信号采集系统光学设计及仿真

将基于微光机电系统的微镜阵列与倾斜反射镜相结合,构建应用于中红外波段的微型化便携式傅里叶变换光谱仪.在阐述了该光谱仪工作原理的基础上,通过对微镜衍射特性分析,提出了信号采集系统光路设计要求,并结合ZEMAX软件进行了光学设计与仿真,结果表明:在2.5~3.5μm波长范围内,保证微镜选通列与非选通列间反射光互不干扰的情况下,本文所设计的信号采集系统可将80%以上的干涉信号会聚到5mm×5mm的单点探测器中.     

中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪的设计与分析

提出一种基于微光学元件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪,通过引入红外微结构衍射光学元件、多级微反射镜和微透镜阵列,实现仪器的微型化.介绍了微型傅里叶变换红外光谱仪的结构及基本原理,分析了微型准直系统和聚焦耦合光学系统的设计理论,研究了单片折衍混合准直透镜的残存像差、衍射面的衍射效率、多级微反射镜的衍射、微透镜阵列的孔径衍射和中继系统的轴向装配误差对光谱复原的影响.最后,对中波红外微型傅里叶变换光谱仪进行了建模仿真,得到的复原光谱与理想的光谱曲线比较符合,实际的光谱复原误差为2.89%.该中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪无可动部件,且采用了微光学元件取代了传统的红外镜头,不仅稳定性良好,而且体积小、重量轻,有利于在线监测应用.     

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。     

光学傅里叶变换镜头

一、序 言 光学信息处理是光学中最近十几年中发展起来的新学科,它把通讯理论中的基本概念和技术引进到光学领域,并随着激光技术和全息照相技术的发展以及电子计算机的广泛应用而迅速发展起来. 光学信息处理包含的内容很广泛.用光学方法处理声、电、光信号,以及用光学、电子学、数字计算机方法处理图象等都是它的内容.仅就图象处理而言,就有图象规整和纠正技术,图象的改善与增强,图样识别,信息的压缩、储存、编码、译码、图象传输和成图技术等方面. 光学信息处理在地球资源考察、医疗诊断、环境污染的监视、高能物理中的乳胶识别以及合成孔…     

乳腺癌的傅里叶变换红外光谱成像研究

傅里叶变换红外光谱(FTIR)成像技术可同时获得组织样本的空间分布信息和红外光谱信息。本文利用FTIR成像技术对离体原位乳腺组织样本进行原位研究,通过特征谱带吸光度比值(面积比值)图像结合FTIR光谱分析研究健康和癌变乳腺组织的差异。发现乳腺癌组织的特征带吸光度比值A1087/A1455、A1238/A1455、A1550/A1455、A1650/A1455相对于健康组织明显增大,A1160/A1087、A1740/A1550则减小。研究结果论证了乳腺组织癌变过程中大分子含量的变化规律,体现了FTIR成像技术在乳腺癌诊断方面的准确性、直观性和可行性,其有潜力成为基础研究和临床诊断的一种准确有效的技术手段。     

基于多级微镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉成像系统分析与设计

为了实现傅里叶变换成像光谱仪的静态化与高通量,提出一种基于多级微镜的时空混合调制成像光谱仪,其干涉系统是利用一个多级微镜代替迈克尔逊干涉仪中的平面镜,其显著特点是无运动部件和限制系统光通量的狭缝,可同时获得目标的干涉图与二维空间图像。该成像光谱仪利用前置成像系统将目标成像到干涉系统的平面镜与多级微镜上,利用多级微镜的结构特点对两成像光束的光程差进行调制,然后通过后置成像系统获得不同干涉级次的目标图像。首先通过对该成像光谱仪干涉系统光谱信噪比的分析,明确了光谱信噪比与图像信噪比之间的关系,确定了多级微镜的特征参数。为了确保每个阶梯面所对应光程差的恒定性,通过对前置成像系统成像过程的分析,确定了前置成像系统像方远心的光路结构;通过对系统视场角与光程差之间关系的分析和计算,确定了前置成像系统的设计指标并完成了光学设计。为了保证后置成像系统不引入额外的光程差,通过对后置成像系统成像特点的分析,确定了后置成像系统双远心的光路结构;通过对系统入射孔径角与阶梯级数之间关系的分析和计算,最终设计出满足系统性能需求的后置成像系统。通过对各单元系统的理论分析与光学设计,为静态化与高通量成像光谱仪的发展提供了一种新的思路。     

星载大视场短波红外成像光谱仪光学设计

根据大视场短波红外成像光谱仪的要求,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的方法,分析了视场分离方法的原理.利用此方法设计了一个星载大视场短波红外成像光谱仪光学系统,该系统由11.42°远心离轴三反消像散前置望远系统和2个Offner凸面光栅光谱成像系统组成,运用光学设计软件CODE V和ZEMAX对成像光谱仪光学系统...     

紫外真空紫外傅里叶变换光谱仪

研制了新型的由分束耦合器、“猫眼”后向反射光学系统、稳频激光辅助采样系统和光电探测器等组成的紫外真空紫外傅里叶变换光谱仪 ,光谱测量范围为 170nm～ 6 0 0nm ,30 0nm处分辨率高于 1.5× 10 5。光谱仪结构紧凑 ,可精确探测紫外真空紫外波段物质的发射及吸收光谱 ,尤其适合与同步辐射源对接完成相关的光谱分析。     

宽谱段改进型Wadsworth光栅型成像光谱仪光学设计

针对传统的Wadsworth光学系统无法应用于宽谱段高分辨率成像光谱仪的情况,给出了一种改进的光学系统方案。通过在Wadsworth系统中加入柱面镜的方法,改变了子午和弧矢方向成像聚焦距离。在对像散和光程分析的基础上,计算获得了改进型Wadsworth成像光谱仪光学系统的最优成像条件,即柱面镜的最优放置位置、最优倾斜角和最优楔角。以一个工作波段为400~800nm的改进型光学系统设计实例,对设计理论进行了验证。设计结果表明系统具备良好的光学成像质量,探测器在奈奎斯特频率(20lp/mm)下全视场全波段调制传递函数值达到0.57以上,光谱分辨率达到1.6nm,实现了对Wadsworth系统的有效改进。     

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。     

傅里叶红外成像光谱仪中干扰现象的分析与消除

针对傅里叶红外成像光谱数据中的一种干扰现象和消除方法进行了分析和研究。在傅里叶红外成像光谱仪中,在某些情况下会在光谱数据中出现一种尖锐凸起的干扰峰。该种干扰峰的峰位位置不固定,且幅度会发生较大的变化。从红外探测器、大气吸收特性、目标辐射特性、系统噪声等几个方面对该种现象的出现进行了分析。提出了该种现象出现的原因是由于红外探测器的灰度浮动造成的。针对该干扰现象的形成机理,提出通过噪声拟合法来消除这一干扰。经过实验验证,提出的方法可以有效地消除傅里叶红外成像光谱仪中的这种干扰峰,能有效提高傅里叶红外成像光谱仪的检测效果和抗干扰能力。     

基于模拟退火的傅里叶变换成像光谱仪干涉图相位修正

相位修正是傅里叶变换成像光谱仪光谱复原的关键技术之一,针对现有算法对带有噪声的干涉图相位修正不足的问题,文章提出了一种基于模拟退火算法求解相位误差的修正方法.该方法通过控制相位下降函数,利用相位区间内产生的随机相位值修正干涉图数据得到同标函数值,依据Metropolis准则判断目标函数增最以确定相位最优解.该算法仿真结...     

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。     

傅里叶变换成像光谱数据压缩

通过对傅里叶变换成像光谱仪数据的高低频反演光谱与光程差间的关系进行分析,提出一种光谱插值预测与量化编码压缩方法.仿真结果表明,在相对光谱二次误差<1%的情况下,压缩比优于5∶1.     

利用分数傅里叶变换设计衍射光学元件

讨论了分数傅里叶变换与菲涅尔衍射的关系,提出球面衍射过程就是一种具有尺度因子的分数傅里叶变换,并应用分数傅里叶变换进行衍射光学元件的设计。