吕银环[1]2000年在《衍射光学元件在成像光谱中应用的分析与模拟》文中提出衍射光学是新发展起来的光学分支，它有着传统光学不可比拟的优点。衍射光学元件（Diffractive Optical Element简称DOE）在成像系统中的应用随着衍射光学的发展日益广泛起来。 本文对DOE的成像理论进行分析，其中主要涉及到DOE的色散理论以及DOE的成像光谱理论。 同时重点讨论DOE在成像光谱中的具体应用，涉及它在可见光和红外波段的衍射成像光谱仪（Diffractive Optical Imaging Spectrometer简称DOIS）中的应用，以及它应用于成像多光谱的检测、机器人视觉、多频道相机和投影显示等。 在计算机上通过模拟点扩散函数（Points Spread Function简称PSF）、理想几何光学成像、单色光成像，成功地模拟了DOE的成像过程。并用不同的算法对DOE的多光谱成像进行事后图像处理，以提取所需光谱成份。以上所有模拟计算以及对DOE成像的图像处理过程均取得了令人满意的结果。
高俊岩[2]2016年在《衍射光学元件在成像光谱中应用的分析与模拟》文中研究说明对于衍射光学,其是近些年新发展的一门光学分支,随着衍射光学元件的应用越来越多,其成像技术也在不断的完善和发展。在本文中对衍射光学元件在成像光谱中的应用进行了简单的分析,并对其应用模拟过程进行了简单的介绍。
程依光[3]2017年在《光子筛光学特性分析及应用研究》文中研究说明X射线和极紫外波段在光刻、空间望远镜、X射线光谱检测和高分辨率显微镜等领域有不可替代的作用。但是在X射线和极紫外波段大多数传统的光学材料的折射率接近或者小于1,不能作为透镜来聚焦和成像。波带片通过相位调制来实现聚焦,不受波长的限制,是X射线和极紫外波段的重要衍射透镜。波带片的分辨率受限于其最外环的尺寸,为了寻求更高的分辨率,2001年德国科学家L.Kipp等人首次提出使用光子筛来代替波带片。结构上光子筛采用大量的微孔代替菲涅尔波带片的环带结构,相对于波带片具有以下优点:首先,在相同的特征尺寸条件下,具备更大数值孔径,实现更高分辨力,而且小孔衍射可以抑制部分高阶衍射,压低聚焦光斑的旁瓣;其次,光子筛的微孔分布没有打断结构的连续性,不需要额外的衬底作为支撑,可以制作为薄膜光学元件,具有大口径,质量轻,体积小等优点;再者,光子筛小孔排布为设计提供了更多的可能性,可以通过改进光子筛设计达到优化聚焦成像以及实现特殊光场分布等目的。本文针对光子筛成像和聚焦两大问题,开展光学性能分析和应用研究。在光子筛聚焦方面,之前的国内外学者主要将精力集中在光子筛聚焦性能的改进,比如分辨率,衍射效率和焦深等,对光子筛聚焦时多焦点的现象研究不足。本文研究了光子筛多焦点机理,将光子筛和伽伯波带片结合,设计了单焦点光子筛,并进行了模拟仿真和实验验证,证明单焦点光子筛可以减弱聚焦时的背景光,提高图像的信噪比。并利用光子筛微孔排布的自由度,设计了交错式光子筛,简单的改变光子筛环带,利用光子筛聚焦来实现局域空心光束,光场计算和实验证明了其可行性,并可以产生极小尺寸的空心光斑,该结构在光镊、粒子约束和原子冷却中具有重要应用。光子筛作为成像元件在现实中的应用需求越来越迫切,而光子筛像差问题一直没有引起足够的重视,为此,本论探究了光子筛像差计算方法,建立了光子筛等效波像差模型,突破了以往光斑尺寸的评价指标,拓展了光子筛的光学分析内涵。并具体进行了光子筛像差实例计算,总结光子筛像差特点,并研究了像差影响因素。在成像应用方面,设计了叁平面和九平面同时成像光子筛,建立了叁维成像光子筛的成像模型,模拟了其点扩散函数,并实验证明了可行性,叁维成像光子筛有望在X射线显微成像发挥重要用途。此外,提出了基于光子筛的光谱成像方法,对光子筛光谱成像原理和成像模型进行了细致的分析,研究了光谱数据重建算法并进行模拟仿真。总之,本论文完善了光子筛的光学特性的分析,并在聚焦和成像方面开展了诸多卓有成效的应用研究,为光子筛广泛应用奠定了基础。
李学胜[4]2007年在《CCD光谱成像技术在光纤光栅解调技术中的应用》文中提出光纤布拉格光栅FBG(Fiber Bragg Grating)传感器具有抗电磁干扰、抗腐蚀、灵敏度高和小巧等特点，已成为光纤传感领域的一个研究热点。目前FBG已被广泛应用于大型复合材料和混凝土建筑物的结构监测、电力、医药和化工等领域，其中FBG传感信号解调是其传感应用中的重点和难点。本文在详细了解国内外光纤光栅传感技术及其传感信号解调技术研究现状的基础上，深入研究了光谱成像技术用于光纤光栅解调的原理与方法，建立了应用线阵CCD(Charge Coupled Device)的光纤光栅光谱成像法波长解调系统。在详细研究光谱成像理论的基础上，对光谱成像系统中各个光学元件进行了设计。结合CCD在微小型光纤光谱仪中的应用，通过合理选择分光元件，设计了一种小型化的光谱法波长解调系统。运用Zemax软件进行光路追迹和测试，设计出了适合光纤光栅解调的光学元件的参数。采用新型的现场可编程器件FPGA(Field Programmable Gate Array)设计了线阵CCD器件TCD1500C驱动电路，用Quartus软件将FPGA配置成32位CPU用于测量数据处理，进而实现了一种新型高度集成化的光谱成像数据采集系统。运用可调谐半导体激光器进行了波长解调模拟实验。通过调谐激光器的输出波长，来模拟光纤光栅受到外界的作用而产生的反射Bragg波长的变化，验证了理论分析的结果，为实现小型化的光谱成像法光纤光栅解调仪奠定了实验基础。论文中还对波长解调系统的分辨率进行了分析，详细讨论了影响系统分辨率的主要因素，提出了提高分辨率的方法。运用Origin软件对采集到的数据进行处理和分析。对光谱成像波长解调系统的标定方法进行了详细的研究，提出了一种适合CCD光谱成像波长解调系统的标定方法，为这种光谱成像波长解调系统的实用化打下基础。
于斌[5]2003年在《利用二元光学透镜轴向色散的凝视光谱成像性能研究》文中指出二元光学元件具有多种应用，用作透镜，在原理上色差非常大。二元光学成像光谱技术就是利用二元光学元件的这种特性来同时完成色散和成像的新兴超光谱成像技术，二元光学成像光谱仪具有光谱分辨率高、结构紧凑、重量轻、坚固耐用、价格低廉，便于实现小型化和轻量化等优点。本文对利用二元光学透镜轴向色散的凝视光谱成像性能进行了系统深入的研究，筹备了一台利用二元光学元件的成像光谱实验装置，进行了相关实验，获得了实验目标的光谱图像，取得了很好的效果。 本文第一章概述了二元光学的发展概况，二元光学元件的特点和应用，及成像光谱技术的基本原理、基本仪器类型。通过把光谱层析技术和窄带滤波技术相结合，实现了一种新的成像光谱原理，即利用二元光学元件轴向色散的凝视成像光谱技术，从而确定了论文的总体研究方向和基本方案。第二章介绍了二元光学元件的成像特性，指出了二元光学元件的独特的色散特性。第叁章详细介绍了二元光学成像光谱技术的基本原理、特性方程、目标重建算法和优缺点。第四章详细讨论了二元光学元件叁维光谱、空间成像原理，预计了成像系统特性，建立了数学模型。第五章为了重建叁维目标立方，发展了各种去卷积算法：最近邻、逆滤波和带约束的迭代去卷积，并应用到计算机产生和试验测量的图像立方中，最好的结果是利用具有规则抑制噪声的SVD逆傅立叶变换去卷积算法获得的。第六章介绍了利用二元光学轴向色散的凝视光谱成像实验装置的设计，制备和试验情况，得到了较好的试验结果，验证了二元光学成像光谱技术的基本原理和算法。最后，对下一步工作进行了展望。 利用二元光学透镜轴向色散的凝视成像光谱仪在理论上是可行的，它可设计为工作在紫外、可见、和红外波段用于空间监视、遥感、医学成像、环境监测等方面。
李阳[6]2017年在《多波长及宽带超表面色散特性研究》文中认为超表面是一种由亚波长结构构成的二维新型材料。一方面,其具有超轻超薄的性质,有望替代传统材料实现光学器件的小型化、轻型化。另一方面,超表面能在亚波长尺度进行电磁波的相位、振幅和偏振调控,可以人为设计和控制对特定波长、偏振的电磁响应,利用超表面可以实现传统光学器件难以实现的功能,在器件的集成化上也有着无与伦比的潜力。自超表面提出以来,已成功实现了包括对光束整形和控制、特殊光束产生、全息复现等多种功能,在成像、探测、光谱、加工等领域中有着广泛的应用前景。然而,超表面大面积加工问题、电磁损耗、色差等仍是超表面进一步应用的主要限制因素。本论文中主要针对超表面的色差特性进行了研究。近年来,国内外研究小组提出了一些对超表面的色散、色差的控制和补偿的方法。由于波长的离散化,共振对入射角等参数的苛刻要求等问题,这些方法仍然难以解决超表面在成像、通信等领域中应用的实际问题。针对超表面的色散特性以及色差问题,本论文展开了基于超表面色散特性和色差调控的研究,论文研究内容主要包括:1、设计了一种工作在太赫兹波段的偏振无关的超表面,通过微透镜阵列激光加工方法快速高效地加工实现了基于PEN柔性基底的超表面带阻滤波器,实验表征得到单层和级联带阻滤波的带宽分别为0.291THz和0.461THz。通过数值模拟和理论分析,厘清了单元结构之间相互的耦合效应与单元结构的振幅色散特性之间的关系,为不同带宽的相关器件设计奠定基础。2、提出了一种利用材料色散和结构色散相互补偿实现消色差平面光学器件的设计方法,建立了以金属-绝缘体-金属亚波长结构的消色差数理模型,详细分析了超表面和传统光学中消色差设计的异同,通过理论计算和数值仿真实现了波长从1μm至2μm的连续超宽带消色差偏折和聚焦超表面器件。3、利用偶极子光天线的无色散相位调控性质结合多波长离轴照明技术,实现了超表面彩色全息。通过空间频谱控制实验实现了二维和叁维彩色图像的高质量复现。该方法实现了超表面空间频谱的充分利用,展现了超表面在空间频谱操控上传统光学器件难以企及的优势。4、提出了利用超表面的色散性质和偏振响应性质,建立可实现轨道角动量、波长和偏振同时分离与合束的超表面器件的理论模型,通过单个超表面实现了空分复用、波分复用和偏振复用的集成。通过模拟仿真和初步试验,验证了该器件的复用与解复用功能。
张栋[7]2010年在《折衍射混合望远系统的研究》文中研究指明衍射光学是现代光学领域的一门新兴学科。衍射光学元件可以实现对光波的任意位相调制,具有很独特的色散性质;这些特性使得衍射光学在光学系统中有着良好的应用前景。衍射光学元件最重要的参数是衍射效率,以往制约衍射光学元件应用的根本因素就是所加工的衍射器件的衍射效率太低;衍射效率低的问题随着衍射光学设计理论和现代加工工艺的进步而逐渐得到解决。本文第一章绪论概述了衍射光学发展历程,并导出了本课题研究方向和研究意义;第二章介绍了衍射光学理论基础,包括衍射光学元件工作原理和成像特性;在第叁章,我们介绍了衍射光学元件和传统光学系统结合组成折衍射混合光学系统的一般设计原理和优点,并且设计了一套折衍射混合望远物镜系统和一套平象场折衍射混合目镜系统;第四章讨论了衍射光学元件衍射效率检测方案,并且实际测量出所设计加工的可用作望远物镜的折衍射混合单透镜的衍射效率;
江益[8]2005年在《声光可调滤波器光谱成像的研究》文中研究指明声光可调滤波器(AOTF)是根据声光作用原理制成的新型分光器件,它具有传统分光元件(棱镜或光栅)不能相比的优点,主要包括体积小,全固体构件,无运动部件;通光孔径大,入射角孔径大:衍射效率高;电调谐,扫描速度快等。目前,利用AOTF开发的各种光谱仪已经应用在工业、农业、航空等领域,取得了良好的效果。由于有较大的通光孔径和入射角孔径,AOTF在成像光谱的应用领域有着很大的潜力,但由于TeO_2材料的色散造成的图像漂移和模糊问题,阻碍了应用的发展。本论文通过对AOTF参数的精确计算以及对晶体出射面添加精心设计的光锲,在理论上解决了传统的AOTF图像漂移和成像模糊的难题。数据模拟和定量计算的结果表明,采用本论文所用方法,可以基本消除掉图像漂移现象,并能提高图像的清晰度分辨率。基于本论文设计的AOTF,并整合光学元件、成像镜头,CCD探测器、射频电源本论文还设计并实现了光谱成像系统。系统在计算机的控制下进行光谱波段扫描,光谱图像采集功能。对系统在光谱扫描精度、光谱分辨率、图像漂移、图像质量方面的性能进行测试都得到了良好的结果。利用该系统对的植物树叶的成像光谱分析验证了绿色植物的“红边”现象。而首次对草地蝗虫模拟环境的实验,发现了在近红外蝗虫和草地反射光谱的巨大差异。这也标识了该系统在农业病虫害检测领域的巨大应用前景。
王超[9]2017年在《轻小型叁线阵航摄仪关键技术研究》文中研究说明叁线阵航摄仪通过叁个视角的线阵推扫成像,可以有效提高立体测绘精度,降低摄影测量过程对地面控制点的依赖,并且提供了多光谱成像的扩展能力,在数据生产效率和影像质量方面有明显的优势。几款主流的叁线阵航摄仪存在体积大、重量大、操作复杂、时效性差等缺点,相比之下,轻型机和无人机遥感系统具有续航时间长、成本低、机动灵活、操作简便等优点。因此本课题将重点研究轻小型叁线阵航摄仪系统的关键技术,突破叁线阵航摄仪轻小型化工程应用的关键难题,实现系统在测绘遥感领域中的规模化应用。本课题所研究的关键技术主要围绕航摄仪的光学成像技术和制图测量技术展开,主要研究的内容包括以下几点:1.提出了轻小型叁线阵航摄仪系统的成像模式和总体方案,给出了航摄仪的指标体系和结构布局,提出了基于单镜头搭配新型COMS光电探测器的成像系统方案。完成了像方远心光学系统和双高斯光学系统的设计与优化,并对光谱特性、调制传函、系统畸变、像差、相对照度均匀性、公差分配、体积重量和加工装调难度等进行了详细的对比与分析。由于光谱特性、畸变参数、成像能力和环境适应性的优势,选用了像方远心光学系统的镜头结构形式。该光学系统的视场达到80°,在80lp/mm的空间频率处,光学系统调制传递函数优化至0.4,系统畸变最大值优化至0.1%,并且光学元件重量控制在1.3kg以内。经过光学系统的环境适应性分析,选择了温度适用范围更优的钛合金材料,对环境温度、大气压强和航摄高度进行了仿真计算,并且对机载力学环境下的光机结构稳定性进行了仿真计算,各项指标均能满足系统总体要求。2.基于航空测绘遥感领域的应用需求,该航摄仪系统的制图精度需要达到1:500、1:1000和1:2000比例尺标准的精度等级。根据摄影测量理论的前方交会原理,分析推导了轻小型叁线阵航摄仪直接定向模式下的地物定位误差模型,并完成了系统各误差项的敏感度分析,得到位置测量精度、姿态测量精度、相机标定精度等主要误差项。并结合系统体积重量的约束,对关键组件进行了选型。对叁线阵航摄仪的数据时钟同步系统进行了设计与分析,提出了校时、守时和用时的数据同步流程,同步精度达到微秒量级,实现了航摄仪系统外方位元素和线阵影像的高精度配准。最后,将多余度影像匹配和空中叁角测量环节融入制图精度分析模型中,得到该系统的航测成果平面定位精度能够达到0.3m,数字高程模型精度可达到0.25m。3.提出了基于衍射光学元件的相机几何参数标定系统方案,该方法具有精度高、成本低、分析速度快等特点。对系统中的激光器、准直透镜、空间滤波器和滤光片等关键组件进行了分析与选型,利用模拟退火算法,对衍射光栅的掩模板图案和坐标参数进行了优化设计。在标定系统中,对基于径向畸变约束的相机标定算法进行了改进,设计并开发了相机标定数据处理流程和软件,最终将量测相机内方位元素的标定精度提高至微米量级,完成与室外叁维标定场测试结果的对比分析。另外,介绍了叁线阵航摄仪系统视准轴误差的检校原理,给出系统姿态测量的坐标变换关系,提出综合数据时钟同步的视准轴误差的解算模型。利用航摄任务中的地面检校场,通过空中叁角测量法,对系统视准轴误差进行了解算与修正。利用相机标定检校数据,完成了典型地貌的测图精度试验,其测图精度结果满足国家标准规定的大比例尺制图精度要求。
孙伟[10]2009年在《二元光学元件应用于超光谱成像性能研究》文中研究说明二元光学衍射元件具有多种应用,用作透镜,在原理上色差非常大。二元光学衍射透镜成像光谱技术就是利用二元光学衍射元件的这种特性来同时完成色散和成像的新兴超光谱成像技术,二元光学衍射透镜成像光谱仪具有光谱分辨率高、结构紧凑、重量轻、坚固耐用、价格低廉,便于实现小型化和轻量化等优点。本文对利用二元光学衍射透镜轴向色散的光谱成像性能进行了系统的分析与研究,用两种方案设计了利用二元光学衍射透镜的成像光谱分光系统,进行了成像性能分析与软件模拟,取得了很好的效果。本文第一章概述了二元光学的发展概况,二元光学衍射元件的特点和应用,及成像光谱技术的基本原理、常见光谱仪器类型。指出了采用二元光学衍射透镜特殊色散的成像光谱技术是光谱层析技术和窄带滤波技术相结合。第二章介绍了二元光学衍射透镜的成像特性,指出了二元光学衍射透镜的独特的色散特性。第叁章详细介绍了二元光学衍射透镜成像光谱技术的分光原理、放大率恒定的变焦系统设计、光谱分辨率及此光谱成像技术的优缺点。第四章详细讨论了二元光学衍射透镜成像光谱仪的结构和设计思想、提出了两种工作于可见波段的分光系统的设计方案。二元光学衍射透镜置于消色差反射系统或折射系统的前焦面上设计思想的提出,解决了系统的放大率随波长变化的问题。用CODE V光学设计软件设计了工作在0.5μm-0.9μm波段,光谱分辨率为10nm(在设计波长632.8nm),系统焦距(EFL)300mm,入瞳直径60mm,总视场(TFOV)为±0.9°(在设计波长632.8nm)的反射式和折射式光学系统。设计结果表明,光学系统结构设计简单,减小了系统的重量,具有很好的消像差特性。此系统的图像分辨率高,保证了可见光焦平面凝视阵列探测器的配准精度和探测精度,便于实现高精度的精密探测。第五章对论文进行了总结和二元光学衍射透镜超光谱探测技术发展的展望。
参考文献：
[1]. 衍射光学元件在成像光谱中应用的分析与模拟[D]. 吕银环. 长春光学精密机械学院. 2000
[2]. 衍射光学元件在成像光谱中应用的分析与模拟[J]. 高俊岩. 科技展望. 2016
[3]. 光子筛光学特性分析及应用研究[D]. 程依光. 中国科学院光电技术研究所. 2017
[4]. CCD光谱成像技术在光纤光栅解调技术中的应用[D]. 李学胜. 黑龙江大学. 2007
[5]. 利用二元光学透镜轴向色散的凝视光谱成像性能研究[D]. 于斌. 中国科学院研究生院（长春光学精密机械与物理研究所）. 2003
[6]. 多波长及宽带超表面色散特性研究[D]. 李阳. 中国科学院光电技术研究所. 2017
[7]. 折衍射混合望远系统的研究[D]. 张栋. 长春理工大学. 2010
[8]. 声光可调滤波器光谱成像的研究[D]. 江益. 武汉大学. 2005
[9]. 轻小型叁线阵航摄仪关键技术研究[D]. 王超. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所. 2017
[10]. 二元光学元件应用于超光谱成像性能研究[D]. 孙伟. 长春理工大学. 2009
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