中国科学院西安光学精密机械研究所 光谱成像技术重点实验室,陕西西安710119
在空间调制型哈达玛变换光谱成像仪(Space Hadamard Transforms Spectral Imager, SHTSI)中采用数字微镜阵列(Digital Mirror Devices, DMD)作为编码器件,能够使系统实现小型化、轻量化、高分辨率、高帧频成像。但由于DMD的翻转特性,经过DMD编码后的光学成像面发生12°倾斜,导致SHTSI成像光路和制冷型探测器冷光阑不匹配,造成视场缺失和图像降质。针对这一问题,本文提出一种像面预补偿的新型哈达玛编码光谱成像系统设计方法,在前置成像镜组中采用倾斜和偏心的设计,使得一次像面实现24°倾斜,对DMD在调制过程中产生的像面倾斜进行预补偿,从而消除倾斜成像面造成的图像降质问题。基于该方法设计了SHTSI光学系统,系统全视场点列图RMS小于5 μm,保证系统在全视场范围内能够均匀成像。根据该设计方案研制SHTSI原理样机,试验结果表明,SHTSI系统满足设计指标,对成像数据进行复原,得到复原光谱角距离评价因子优于0.052。
光学系统设计 哈达玛变换成像光谱仪 中波光谱成像 数字微镜阵列 optical designing Hadamard transform spectral imager MWIR spectral imaging digital mirror devices
1 中国科学院 光电技术研究所, 四川 成都 610209
2 中国科学院大学,北京 100049
3 中国科学院 空间光电精密测量技术重点实验室,四川 成都 610209
4 空军装备部驻成都地区第五军事代表室,四川 成都 610000
为满足高动态星模拟器的使用要求,设计了一套适用于DMD的投影光学系统和照明光学系统。投影系统采用二次成像方式,解决了大视场长出瞳距情况下长后工作距和系统像差校正难的问题,采用复眼透镜阵列设计了相应的照明系统,利用全反射棱镜实现照明系统和投影系统的同向排列。设计结果表明:系统出瞳为60 mm,视场为28.6°,畸变小于0.045%,80%的能量集中在直径为8 μm的圆内,照明系统的照明均匀度大于94%,满足设计指标要求,适用于大视场长出瞳距DMD型动态星模拟器的光学系统。
光学设计 动态星模拟器 数字微镜阵列 光学系统 optical design dynamic star simulator DMD optical system
1 东北师范大学 物理学院 国家级实验教学示范中心, 长春 130024
2 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 应用光学国家重点实验室, 长春 130024
数字微镜阵列扫描曝光图形在某些方向的边缘存在约一个像素的锯齿, 对此设计自由曲面光学透镜, 将其安装在距离数字微镜阵列窗口玻璃1 mm附近, 使微镜阵列成像线性错位, 在保持原有线宽和光刻效率的情况下, 平滑曝光图形边缘.理论分析了微镜阵列成像线性错位形式及其表达式.根据物像映射原理, 用Matlab软件计算出自由曲面光学透镜面形初始数据, 通过Zemax软件优化得到理想透镜模型, 模拟了安装该透镜模型前后曝光图形效果.结果表明:在±2 μm容差范围内, 安装该透镜且曝光总能量为原来的0.9倍时, 曝光图形的横线边缘锯齿由0.14个像素缩小至0~0.01个像素, 斜线边缘锯齿由0.338个像素缩小至0.110~0.125个像素, 且线长变化范围为-0.153~0.05个像素, 线宽变化范围为-0.058~0.153个像素, 变形范围不影响10~30 μm pcb板的制作精度.该方法可同时提高能量利用率, 降低光源成本.
数字微镜阵列 扫描光刻 自由曲面光学透镜 成像线性错位 图形边缘 投影成像系统 Digital micro-mirror device Scanning lithography Free surface optical lens Linear dislocation Lithography graphic edge Projection imaging system
南京理工大学 电子工程与光电技术学院,江苏 南京 210000
为了消除采样过程中的噪声干扰,进一步提高重构图像质量,针对数字微镜阵列(DMD)与桶探测器在测量过程中点对点采样产生的起伏噪声导致图像信噪比降低的问题,提出基于哈达玛矩阵编码测量的压缩采样成像方法。首先采用DMD分区控制方法,利用哈达玛编码测量,计算获得低分辨率的粗糙图像,接着在预测的重要小波系数所在区域,对同一尺度上的重要区域利用哈达玛矩阵进行投影,同时计算出这些区域的小波系数,最后通过小波逆变换获得重构图像。实验表明,在测量噪声为0.2倍的热噪声下,只需要10%的采样率,通过哈达玛编码测量,图像峰值信噪比从1398 dB最高提高到34.56 dB,提高了20.58 dB,成像质量明显改善,清晰度高。当存在较大的测量噪声时,该方法可以大幅提高图像的信噪比,尤其适用于微弱光信号条件下的高灵敏压缩采样成像。
压缩成像 哈达玛矩阵 小波系数 数字微镜阵列 compressed sampling hadamar matrix wavelet coefficients digital micro-mirror device
南京理工大学 电子工程与光电技术学院, 江苏 南京 210094
为了在现有的采样条件下, 通过新的压缩采样方式获得计算量小且质量更好的图像, 提出了基于压缩感知与扩展小波树的自适应压缩成像方法。首先将图像投影到分区控制的DMD上, 获得图像在低分辨率下的测量值, 并通过压缩感知重构算法重构出低分辨图像, 接着利用扩展小波树预测重要小波位置, 通过DMD在小波域采样获取图像的细节信息, 最后由小波逆变换恢复高分辨率图像。将该方法与最小化全变分算法(TVAL3)和近来提出的基于扩展小波树的自适应成像算法(EWT-ACS)效果进行对比, 实验结果表明, 以boat图像为例, 在压缩感知采样率为0.75, 整体采样率为10%的无噪声条件下, 该方法相较于TVAL3、EWT-ACS算法信噪比提高了4.63 dB和2.87 dB, 在附加噪声条件下成像效果也较好。该方法能极大地降低压缩感知重建算法的运行时间, 同时减少采样次数, 具有较好的抗噪性。
压缩感知 压缩采样 小波树 数字微镜阵列 compressed sensing compressed sampling wavelet tree digital micro-mirror device
光电信息控制和安全技术重点实验室, 天津 300308
通过对基于DMD后调制的激光主动成像光学系统分析, 建立了成像系统的数学模型, 并通过仿真分析了成像系统的各个影响因素, 最后给出了仿真的结果。仿真结果表明, 激光源的强度、接收光学系统的口径对成像系统的探测距离具有较大的影响。
数字微镜阵列 调制成像 建模 仿真 DMD (digital micromirror device) modulation imaging modeling simulation
1 中国科学院 苏州生物医学工程技术研究所 江苏省医用光学重点实验室, 苏州 215163
2 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 长春 130033
3 中国科学院大学, 北京 100039
为了满足激光光斑质量高、扫描快速的目的, 采用数字微镜阵列和误差扩散法对单平顶和多平顶的光束整形原理仿真, 利用680nm激光建立了实验系统, 并进行了光束整形验证。采用光束填充因子、光场调制度、均方根误差3种评价参量对整形结果进行评价, 并对采用数字微镜阵列进行光束整形的能量利用率进行了测量和分析。结果表明, 单平顶和多平顶整形的光束填充因子由整形前的36.1%分别提高到62.3%和56.7%;光场调制度由73.3%分别降到25.6%和30.3%。利用该光束空间整形方法, 可得到高质量的多平顶光束, 在快速激光扫描领域有一定的应用价值。
激光光学 光束整形 数字微镜阵列 误差扩散法 多平顶光束 laser optics beam shaping digital micromirror device error diffusion method multiple flat-top beam