光学 精密工程
2023, 31(21): 3096
1 北京科技大学自动化学院 北京市工业波谱成像工程技术研究中心 北京 100083
2 国家核安保技术中心 北京 102445
远距离、大范围、快速检测放射源对国土安全具有重要意义，γ相机可以远距离提取放射性物质位置、强度以及类别等信息，是一种有效的检测工具。由于探测器面积小，且编码孔径的视场（Field of View，FOV）有限，当前编码孔径γ相机的探测效率普遍低。本研究提出一种基于国产的滨松BHP6601型临床单光子发射计算机断层成像（Single Photon Emission Computed Tomography，SPECT）探头的大面积高灵敏度编码孔径γ成像系统研制方案。该探头的固有分辨率为3.55 mm，有效探测面积为510 mm×390 mm，可用于提高辐射成像系统的空间角度分辨率和灵敏度。本研究根据此探测器规格，设计采用修正均匀冗余阵列（Modified Uniformly Redundant Arrays，MURA）编码嵌套模式的编码板，其中心基本单元阵列大小23×23，每个单位孔径大小为22.1 mm×17 mm。成像系统无伪影视场在 X方向上和 Y方向上分别为57.32°和47.3°；空间角度分辨率在 X和 Y方向上分别为2.94°和2.28°。采用该方案的γ成像系统对18 m处3.7×107 Bq 137Cs单点源进行测试，采集时间1 s即可精准定位；若对于4 m处的1.11×106 Bq 137Cs定位，采集时间仅需要2 s。仿真测试结果表明：该系统对于远距离或低活度的放射源能快速清晰定位。
编码孔径γ相机 高灵敏度 高角度分辨率 高效率 Coded apeture γ camera High sensitivity High angular resolution Detection efficiency
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 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
编码孔径光谱成像系统利用空间光调制器对目标信息进行编码,将信号映射到二维探测器面阵上,形成空间和光谱混叠信息,通过重构算法恢复出光谱数据立方体。由于该系统的色散仅仅发生在水平方向上,为了提高编码的效率,提出只在一个方向上具有编码效果的多狭缝组合编码。与目前采用的二维随机编码比较,在取得相同重构结果的前提下,多狭缝组合编码形式简化了数学模型的建立和分析,降低了编码复杂度。在此基础上,利用液晶光阀的开关特性实现实际系统编码,结合PGP(棱镜-透射光栅-棱镜)分光组件搭建光谱成像系统,进行了不同采样率下的实验,得到了高精度的恢复结果,验证了系统编码的可行性,为编码光谱成像系统领域提供了新思路。
成像系统 计算成像 压缩感知 高光谱成像 编码孔径
1 北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院, 北京 100191
2 中国科学院光电研究院中国科学院计算光学成像技术重点实验室, 北京 100094
光谱是一种可以表征物质特性的光学信息, 利用光谱成像仪可以获取处于视场范围内的物质的光谱图像, 成熟的光谱成像技术均需要通过多次采集才能够获取完整的光谱图像数据立方体, 相应系统的时间分辨率比较低, 不适用于动态目标的光谱获取。 快照式光谱成像在动态目标光谱成像方面具有较大的优势, 其中编码孔径快照光谱成像技术是一种将压缩感知计算方法融入到光谱成像过程和图谱重构过程中的光谱成像技术, 在采样过程中完成数据压缩, 具有高通量优势, 可以利用单次曝光的混叠数据, 重构出目标光谱数据立方体, 实现快照式成像, 使得对动态的目标进行监测成为可能。 实现监测需要目标的信息满足稀疏性的假设, 实际目标很难满足这样的条件, 重构误差比较大, 不利于对动态的小目标进行监测和识别。 针对均匀背景中动态小目标的光谱数据获取, 提出一种双色散通道的编码孔径光谱成像方法, 系统由两个通道组成, 每个通道均包含一个光谱仪, 其色散方向互相垂直, 并共用一个前置望远镜系统和编码孔径。 该系统可以实时观测均匀背景区域中的动态小目标。 由于两个通道的色散方向互相垂直, 可以从背景中分离出小目标的位置和相对应的编码。 假设目标出现在视场中前后, 背景的辐射特性变化很小, 利用目标出现前的数据计算出背景光谱; 目标出现后, 通过帧间差分运算, 消除背景辐射的影响, 提取出目标位置对应色散区域中数据, 利用约束最小二乘算法, 重构运动小目标的光谱数据立方体。 进行光谱数据重构, 进行背景光谱补偿后, 获得完整的动态小目标光谱数据。 文章对成像过程建立了数学模型, 并对重构方法进行了仿真验证, 结合编码孔径的统计特征, 使目标随机出现在不同的位置, 统计重构光谱的峰值信噪比概率分布, 并调整目标尺寸, 分析目标尺寸对重构精度的影响, 最后与编码孔径成像系统的两步软阈值迭代算法重构结果进行了对比。 结果表明, 这种方法在均匀背景中, 采用随机编码矩阵进行编码, 目标尺寸小于5×5个像元时, 相对于编码孔径成像系统, 提高了目标的信息重构精度和概率, 并且极大的减小了运算量, 可以实现对运动目标的实时监测。
光谱成像 编码孔径 运动目标 Spectral imaging Code aperture Motional object 光谱学与光谱分析
2019, 39(7): 2013
