光学 精密工程
2023, 31(21): 3096
1 南京航空航天大学 南京 210000
2 兰州大学 兰州 730000
3 核技术应用教育部工程研究中心 东华理工大学 南昌 330013
瞬发γ射线活化成像（Prompt Gamma-ray Activation Image，PGAI）技术可对大体积样品内部元素分布进行无损测量，具有广阔的应用前景。目前，PGAI测量平台主要集中在能够提供高中子通量的反应堆中子源上，限制了该技术的现场应用，基于中子发生器和同位素中子源的PGAI技术可用于现场测量，但其较低的中子通量使得测量图像分辨率差。针对此问题，提出一种基于多编码版准直器的PGAI成像方法，采用36块编码准直板和最大似然期望最大化（Maximum Likelihood Expectation Maximization，MLEM）算法对板状样品中的氯（Cl）元素空间分布进行测量分析，编码板的开孔大小为1 cm×1 cm。利用蒙特卡罗程序MCNP对6 cm×6 cm×1 cm（长×宽×厚）样品进行了模拟实验，结果显示：重建图像与原图像的相对偏差为0.065 8，结构相似性（Structural Similarity，SSIM）为0.952 1；表明利用该方法可以对Cl元素的分布进行测量，重建图像与设置的样品图像吻合。
元素成像 瞬发γ射线活化成像 编码板准直器 蒙特卡罗模拟 Elemental imaging PGAI Coded-aperture collimator Monte Carlo simulation
长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
针对一款基于DMD的光谱维编码Offner光谱成像仪对凸面闪耀光栅的性能要求，提出了一种凸面闪耀光栅的宏观-微观一体化优化设计方法，利用三维偏振光追迹算法有机融合了宏观层面的Offner光学系统设计与微观层面的凸面闪耀光栅槽型设计。介绍了编码孔径Offner光谱成像系统的组成和工作原理，并结合系统的使用要求设计了一款平均衍射效率为85.47%的中波红外凸面闪耀光栅。在此基础上，采用超精密单点金刚石车床成功制备了曲率半径为120 mm、周期为99.945 μm、闪耀角为1.1783°、槽深为1.834 μm的凸面闪耀光栅。测试结果表明，在3~5 μm光谱范围内，最大衍射效率为93.46%，平均衍射效率为84.29%，与理论设计值较为吻合，验证了凸面闪耀光栅设计方法的有效性。
光谱成像 凸面光栅 衍射效率 编码孔径 spectral imaging convex grating diffraction efficiency coded aperture 红外与激光工程
2022, 51(3): 20220007
长春理工大学 光电工程学院，吉林 长春 130022
基于双DMD提出了一种光谱维编码的中波红外光谱成像系统，利用空间维DMD完全补偿了光谱维编码DMD引起的像面倾斜。介绍了系统的组成和工作原理，设计了焦距为240 mm、F数为3的望远系统作为前置成像单元，采用双光路Offner光栅成像系统配合光谱维编码DMD同时实现了光线的色散、编码和合光等多个功能，设计了放大倍率为1的中继成像系统实现冷光阑匹配。通过整体优化设计实现了对双光路Offner光栅成像系统残余像差的补偿，设计结果表明，系统具有良好的空间成像和光谱性能，作用距离满足设计要求。
光学设计 光谱成像 编码孔径 中波红外 optical design spectral imaging coded aperture MWIR 红外与激光工程
2021, 50(12): 20210700
1 中国科学院上海技术物理研究所 空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 上海科技大学 信息科学与技术学院, 上海 201210
4 国科大杭州高等研究院, 杭州, 310024
为解决传统色散型高光谱成像仪扫描速度慢和编码孔径光谱成像系统存在部分信息失真或丢失、光谱重构复杂度高等问题, 设计了一种基于均匀分布狭缝阵列的光谱成像系统, 在编码孔径光谱成像系统的基础上, 采用微位移电机控制阵列编码狭缝对成像视场进行微扫描, 以实现光谱不混叠成像, 在满足一定成像帧频的条件下实现动态场景的无损探测。仿真结果表明: 在光谱图像重构质量与单狭缝系统结果一致的前提下, 该系统的采集效率提升了17倍; 空间结构相似度和光谱保真度分别是50%压缩采样率编码孔径光谱成像系统的1.8倍和1.17倍, 在完成仿真的基础上, 搭建实验装置进行了可行性验证。
光谱成像 编码孔径 计算光谱 压缩感知 快照 spectral imaging coded aperture computational spectrum compressive sensing snapshot
1 浙江大学光电科学与工程学院现代光学仪器国家重点实验室, 浙江 杭州 310027
2 之江实验室智能感知研究中心, 浙江 杭州 311100
点扩散函数(PSF)是衡量显微镜成像性能的关键参数,传统显微成像技术中,PSF越接近理想的艾里斑,表明系统的成像性能越好。随着计算显微成像技术的发展,显微镜在各个方面的性能均得到了极大的提升,特别是对显微镜PSF的主动操控,能显著提高其成像分辨率和速度等性能。因此,从原理和方法上介绍了基于PSF工程的计算显微成像研究进展,并分析了该技术面临的主要问题与挑战,最后对该技术未来的发展方向进行了展望。
成像系统 计算成像 点扩散函数 衍射理论 编码孔径 激光与光电子学进展
2021, 58(18): 1811008
1 中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室, 上海 200083
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 中国科学院大学杭州高等研究院, 浙江 杭州 310024
4 上海科技大学信息科学与技术学院, 上海 201210
目前的光谱相似度评价方法主要基于光谱形状和幅值两种信息, 但这两种信息仅仅能体现出光谱的轮廓, 并不能很好的反应地物光谱的吸收峰等“指纹”特征, 为了更好的体现出光谱特征在评价中的作用, 提出了基于一阶梯度信息的光谱相似度评价方法。 首先对传统光谱角度匹配度评价方法SAM进行了改进, 提出MSAM评价方法, 进而提出了调整的梯度光谱角度匹配(MGSAM)法。 MGSAM比较了两条光谱曲线的梯度角匹配度, 光谱曲线的梯度信息可以突出光谱吸收峰等“指纹”特性的存在, 因此MGSAM可以充分体现出两条对比曲线的光谱特征相似度。 分析了偏置信息和光谱深度对于MSAM和MGSAM的影响, 指出MGSAM对于偏置信息具有更强的鲁棒性, 且可以客观地反映出光谱深度差异, 进而直观地反映出光电系统或相关算法的光谱特征保真能力。 将MGSAM作为评价方法应用到压缩感知光谱成像系统评价中, 仿真结果表明, 随着采样率的变化, MSAM的值在 0.998~1之间, 而MGSAM的值在0.72~1之间, 具有明显的变化并具有较大的差异性, 可以客观地反映出压缩感知系统对于光谱特征的保真能力, 并具有更强的差异化分辨力, 为该类系统提供了一个更客观的评价方法。 将MGSAM应用到了基于光谱相似度的地物分类中, 测试数据选择了Salinas, Pavia和Indian Pines三个公开数据, 结果显示基于MSAM的平均分类精度为0.86, 基于MGSAM的平均分类精度0.93, 由此说明MGSAM可以突出光谱特征在分类中的作用, 大大提高了分类精度。
光谱相似度 评价方法 压缩感知 地物分类 Hyperspectral image Compressed sensing Coded aperture LC optical shutter
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 中国科学院光学系统先进制造技术重点实验室, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
编码孔径光谱成像仪在实际应用中存在着编码模板与探测器分辨率不匹配从而降低系统分辨率的问题。针对该问题进行了两种情况分析，并通过数学理论建模给出了相应的解决方案。对于编码模板分辨率高于探测器分辨率这一情况，提出引入邻域嵌入超分辨技术的方法，实现了基于压缩感知的超分辨光谱成像。对于编码模板分辨率低于探测器分辨率这一情况，提出区块阈值划分的编码孔径，将编码微元按照区块阈值重新划分并进行灰度分级，从而实现低分辨率编码模板的高分辨率编码孔径。利用梯度投影稀疏重构(GPSR)算法进行数据立方体重建，实验结果表明：运用基于超分辨理论的编码孔径快照光谱成像系统所测得的光谱图像更精准，内容更丰富；采用基于区块阈值划分的编码孔径的编码孔径快照光谱成像系统具有更高的空间分辨率和光谱分辨率。结果证实优化后的编码孔径快照光谱成像系统，其分辨率和成像质量大幅度提升，并实现了高分辨率元件的100%利用。
光谱成像 压缩感知 编码孔径 优化设计 computational spectral imaging compressed sensing coded aperture optimized design
1 清华大学精密仪器系, 精密测试技术及仪器国家重点实验室, 北京 100084
2 杜克大学电子与计算机工程系, 美国 达勒姆NC 27708
无透镜数字全息计算成像可以实现大视场高分辨率三维成像,但面临成像分辨率低和信噪比差的问题。为此,构建了基于衍射传输的无透镜压缩数字全息成像模型,开发了基于全变分正则化约束和两步迭代收缩阈值的优化算法,抑制了全息重建的二阶项噪声与孪生像噪声,并在重建模型中引入滤波层,提高了三维图像的重建信噪比。同时,提出了基于有效抗混叠区域的压缩全息分块并行重建算法,提升了压缩数字全息重建效率。建立了基于双角度照明的压缩数字全息成像模型,提高了三维成像的轴向分辨能力。基于上述算法,在多层掩模版和粒子流场上实现了大视场无透镜显微成像。
成像系统 计算成像 编码成像 数字全息 压缩感知 激光与光电子学进展
2020, 57(8): 080001
