为获取更多惯性约束聚变内爆运动信息和测量聚变燃烧阶段等离子体的时空特性, 以微通道板(MCP)选通分幅变像管为基础, 采用电子束时间展宽技术和组合透镜成像技术, 研制了曝光时间优于30 ps的分幅变像管, 并通过变像管结构、工作原理和实验测试分析了2类像管性能差异的原因。研究结果显示, MCP选通分幅变像管具有良好的空间分辨性能, 而采用新技术的变像管则具有更优秀的时间分辨性能, 实验测试获得MCP选通分幅变像管的曝光时间和空间分辨率分别为97 ps和~53 μm(调制度为4%), 而采用新技术的分幅变像管分别为和21 ps和~74 μm(调制度为3%)。高时间分辨分幅成像技术的应用可为惯性约束聚变的研究提供更多的可信数据。

近年来, 随着关联成像技术的高速发展, 已被广泛应用于诸多领域内, 并引起了高度关注。偏振探测技术能够区分不同材质物体, 可以增强系统的探测识别能力。文中结合偏振探测和关联成像技术的优点, 利用Walsh-Hadamard散斑对场景进行照明, 并对场景反射光进行分时偏振探测, 实现了对场景的全Stokes偏振关联成像。搭建相应的实验系统对多材质物体进行了成像实验, 利用不同偏振探测信号与照明散斑计算并获得了物体的Stokes参数图像, 实现了对同一场景中的不同材质物体和相同材质不同结构物体的区分。通过演化压缩采样复原技术, 在不同采样率下对物体图像进行了复原, 结果表明: 演化压缩采样复原技术能在较低的采样率下, 复原出清晰的场景全偏振信息。

关联成像是一种新体制成像方法, 能够解决一些传统成像技术无法解决的问题,近年来颇受关注。其中, 又以基于数字微镜器件(DMD)和空间光调制器(SLM)的计算关联成像发展最快。将DMD应用于计算关联成像, 利用其调制速度快、反射波段宽的优势, 结合压缩感知方法, 可在多个波长上获取高质量图像, 实现多波长关联成像。多波长关联成像在实现过程中存在几个关键问题, 包括赝热光场的有效产生、光场调制中衍射效应和调制噪声的影响, 以及高质量图像重建算法等。对上述关键问题进行数值仿真, 确定系统最佳工作参数; 在此基础上构建多波长关联成像实验系统以验证效果, 为关联成像技术的实用化提供了参考。

开展了强度关联阶数对于运动目标关联成像影响的研究, 通过改变信号光束和参考光束的阶数, 分别讨论了切向和轴向运动目标在不同强度关联阶数下的关联成像质量。在运动目标关联成像系统原理光路的基础上, 从理论上重点分析了不同强度关联阶数对关联成像计算模型的影响, 并且利用计算机进行了仿真实验。结果表明: 强度关联阶数的改变不能消除运动模糊, 增加信号光束的阶数可以改善关联成像质量, 但是在去除背景项的情况下, 反而是最低阶的关联成像质量最好, 并且轴向运动目标的关联成像质量下降地更为严重。

多孔径成像是一种融合了仿生复眼视觉的新型成像方法, 具有小型化、大视场、高分辨率等多种优势, 但由于每个子孔径对应的单元图像分辨率过低, 导致其成像质量和视场角的提升十分有限。为了进一步提高成像分辨率和探测视场, 基于压缩感知理论设计随机编码模板, 并紧贴子孔径放置对入射光场进行调制, 通过单次曝光记录编码后的低分辨率单元图像阵列, 利用稀疏优化算法, 重构所有低分辨率单元图像获得超分辨率大视场图像。理论分析和仿真实验证明了该方法的有效性。该方法不仅能兼顾大视场高分辨率成像, 而且大大缩小系统等效焦距, 具有薄层结构, 体积小而重量轻, 可为微光机电一体化系统的研制设计提供借鉴。

点扩散函数(PSF)是传统成像光学中一种典型的分析方法。针对关联成像这一全新的成像理论, 借鉴点扩散函数分析方法, 采用半经典理论对其成像过程进行了重新推导, 给出了鬼像和物体透射函数之间的点扩散函数。以此为基础, 推导了成像光路中存在湍流时, 与之对应的PSF以及鬼像的表达式。最后对成像过程进行了数值仿真分析。结果表明, PSF可以有效地描述关联成像的过程, 并且可以定量分析成像距离、光源大小和湍流强度对鬼像的影响程度。

为实现微球形貌检测中子孔径数据的快速、准确拼接,给出基于点衍射干涉原理的微球形貌检测模型,分析了干涉场横向分辨率的分布规律,提出基于映射图像匹配的子孔径拼接方法。通过形貌数据的等尺度变换,实现横向分辨率均匀化,并将三维点云数据进行降维处理,映射生成二维图像,从而将形貌数据的旋转关系转化为图像坐标的平移关系,再通过图像匹配算法对特征点进行匹配,得出子孔径坐标系间的对应关系,从而实现拼接。最后通过仿真实验验证了该方法的可行性和有效性。

彩色相机广泛应用于印刷工业、形象艺术、医疗、环境等多个应用领域。在节约成本的前提下,为了保证相机显色效果维持特定范围,提出了利用单通道预滤光片同时对彩色相机总光谱响应曲线进行校正的方法。预滤光片模拟准确度取决于卢瑟条件的匹配程度,由于滤光片材质、膜层设计、制造工艺水平等的限制,完全符合卢瑟条件是不可能的,单通道预滤光片光谱匹配则会有更大的技术难度。从影响预滤光片模拟准确度的因素出发,采用连续可调谐均匀单色照明光源系统对彩色CCD进行高精度相对光谱响应测试,通过选取合适的评价函数模型,对预滤光片光谱透过率进行仿真拟合,得到最优光谱透过率曲线。以国际照明委员会(CIE)推荐的14种标准测试颜色为参考,采用CIE2000色差公式,对校正前后彩色相机进行理论色差计算。结果表明: 增加预滤光片后,平均色差降低73%,相机显色效果得到显著提升。

传统光学成像要求像面在成像透镜组的焦平面上,以此获得最大的光通量,因此焦距对成像质量影响较大。研究了焦距对计算关联成像成像质量的影响,搭建计算关联成像系统,利用桶探测器信号的强度涨落分析不同焦距下的关联成像结果,分析了背景光强对强度涨落的影响。结果表明: 焦距和背景光强的变化对计算关联成像成像质量影响不大,解决了热光关联成像中两光臂不等形成的散焦造成成像质量下降的问题,并且该成像只用一个无空间分辨能力的探测器就能完成高分辨率成像,降低了对探测器分辨能力的要求,避免了光通量在维度上的分配,提高了信噪比,且无需成像透镜,该成像方式非常适合用于极弱背景下的成像探测。

研究了一套投影正弦光栅条纹,测量表面有大梯度或非连续结构等复杂形貌微小物体的三维测量系统。针对所测量物体大小,通过将体视显微镜、相机和投影仪组合,研制了具有较小视场的条纹投影系统。软件产生具有最佳条纹个数的三组正弦条纹图,每组包含四个彼此间有90°相位移动的条纹。根据所测量物体表面颜色和纹理特性,选择投影系统的合适颜色通道投射软件所产生的正弦条纹序列到被测物表面。相机从另一角度获取经被测表面调制的变形条纹图。通过四步相移和最佳条纹选择方法分别计算得到折叠相位图和展开相位图。利用水平精密移动台定位一水平白板到几个已知位置,建立绝对相位和深度之间的关系,获得系统深度方向的数据。微小物体的三维形貌测量实验证明了所研制成像系统的可行性和准确性。