推扫式宽视场成像光谱仪
DOAS方法研究大气污染新进展
周海光、陈波、徐红鹃
（厦门大学物理系漳州师范学院物电系，福建厦门 361005）
摘要：污染物按照其在大气中存在的状态，可分为气溶胶(固体和液体微粒)和污染气体两类。运用激光雷达与分光光度计相结合的主被动联合遥测反演方法及DOAS(差分吸收技术)，分别对香港城市大气气溶胶分布状况和厦门市城市上空气体污染作了分析。应用分光光度计分别在厦门和厦门大学对太阳进行跟踪测量，对得到的光谱数据分析表明，将最小二乘法和差分吸收技术应用在环境测量中，能够成功地反演出大气中NO2的垂直柱浓度，得到了该地区上空NO2含量及其变化，经过分析与讨论，计算的结果与环境监测部门用常规法测量的数据基本一致。还对气溶胶的光学特性进行了讨论，介绍了大气气溶胶探测激光雷达方程解和数据处理方法。并分别用前向法和后向法对激光雷达在香港地区测得的数据进行了分析，把计算结果与理想情况进行比较、分析后认为后向法更为稳定。
关键词：气溶胶； DOAS；激光雷达
微波信号全光单陷波滤波器的研究
陈云亮，周鼎富，杨泽后，陈涌
（西南技术物理研究所，四川成都 610041）
摘要：对利用控制光源光谱形状的方法实现射频信号全光滤波器进行理论分析。在理论分析的基础上，对利用光谱成形方法实现具有单一频谱特性的全光陷波滤波器进行了原理分析。论文采用有限冲击响应响应滤波器同无限冲击响应滤波器结合实现单陷波滤波器。最后对滤波器的陷波宽度和品质因数进行了分析。采用文中的方法可以实现具有任意传输函数的全光滤波器。
关键词：光谱成形；全光滤波器；全光信号处理
推扫式宽视场成像光谱仪
胥学荣，郑列华，危峻
（中科院上海技术物理研究所，上海 200083）
摘要：介绍一种新型推扫型的宽视场成像光谱仪。可见探测波段（0.4~1.04 μm），采用5个子模块进行视场拼接，每个子模块视场为14°，拼接后总成像视场70°，瞬时视场250μrad，噪声等效反射率0.05％。
短波波段（1.55～1.64 μm）采用2个子模块进行视场拼接，每个子模块视场为35°，视场拼接后总成像视场70°，瞬时视场500 μrad，噪声等效反射率0.05％。热红外波段（8~10.0 μm）采用2个子模块进行视场拼接，每个子模块视场为35°，视场拼接后总成像视场70°，瞬时视场500 μrad，噪声等效温差0.1K。可见波段采用光栅分光，采用可编程技术，中心波长和带宽可选，光谱分辨率5~40 nm，短波红外、热红外都用滤光片分光。各波段都采用透射镜头。仪器具有积分时间长灵敏度高、没有谱线弯曲现象光谱分辨率高、短波与热红外采用视场拼接方案可以降低长线列探测器研制难度等诸多优点。
关键词：成像光谱仪；视场拼接；可编程
光谱成像技术的分类
光谱成像技术的分类 光谱成像技术，有时又称成像光谱技术，融合了光谱技术和成像技术，交叉涵盖了光谱学、光学、计算机技术、电子技术和精密机械等多种学科，能够同时获得目标的两维空间信息和一维光谱信息。 光谱成像技术发展到今天，出现的光谱成像仪的种类和数量己经具有较大规模，因而可以从光谱分辨率、信息获取方式（扫描方式）、分光原理和重构理论等不同的视角对光谱成像技术进行分类。 1基于光谱分辨率分类 光谱成像技术针对光谱分辨能力的不同，可分为多光谱(Multi-spectral)，高光谱(Hyper- spectral)以及超光谱(Ultra-spectral)。多光谱的谱段数一般只有几十个，高光谱的谱段数可达到几百个，而超光谱一般指谱段数上千个。它们的区别如表1所示。 表1多、高、超光谱的比较 分类分辨 率 通道数光谱典型例子 多光谱（Multi-spectral）10-1λ 量级 5—30ETM+ ASTER 高光谱（Hyper-spectral）10-2λ 量级 100— 200 AVIRIS 超光谱（Ultra-spectral）10-3λ 量级 1000— 10000 GIFTS
2 基于信息获取方式分类 光谱成像仪需要对三维“数据立方”进行探测，而现今的探测器最多能进行二维探测。要想获得完整的三维数据，理论上至少需增加一维的空间扫描或光谱扫描。光谱成像技术获取图谱信息的主要方式有：挥扫式(Whiskbroom )、推扫式(Pushbroom)、凝视式(Staring)以及快照式(Snapshot)。 挥扫式成像光谱仪的光谱成像系统只对空间中某点进行光谱探测，通过沿轨和穿轨两个方向扫描获取完整的二维空间信息，其信息获取方式如图1a所示。AVIRIS就是通过挥扫成像[1]。 推扫式光谱成像系统探测空间中一维线视场(图1b中的X方向)的光谱，通过沿轨方向(Y方向)扫描实现二维空间信息的获取，芬兰国立技术研究中心实验室研制的AISA就是典型的推扫式成像光谱仪[2]。 凝视式光谱成像系统可对固定窗口目标成像，采用滤光的方式分离并获取不同波段的图像信息，再将不同波段的图像堆叠成“数据立方”。如图1c中所示，该类成像光谱仪实际上是采用光谱维扫描的方式实现图谱“数据立方”的获取。 图1 典型的光谱成像过程：a挥扫式；b推扫式；c凝视式；d快照式 快照式是一种新兴的图谱信息获取方式，它不需扫描便可获取三维图谱信息。快照式光谱成像技术实现方式主要有三种：一种是视场分割三维成像的方式，利用玻璃堆进视场分割，再利用分光器件将三维信息展开到二维平面进行面探测
光谱仪的性能指标
光谱学测量的基础是测量光辐射与波长的对应关系。一般来说，光谱学测量的直接结果是由很多个离散的点构成曲线，每个点的横坐标（X轴）是波长，纵坐标（Y轴）是在这个波长处的强度。因此，一个光谱仪的性能，可以粗略地分为下面几个大类： 1. 波长范围（在X轴上的可以测量的范围）； 2. 波长分辨率（在X轴上可以分辨到什么程度的信号变化）； 3. 噪声等效功率和动态范围（在Y轴上可以测量的范围）； 4. 灵敏度与信噪比（在Y轴上可以分辨到什么程度的信号变化）； 5. 杂散光与稳定性（信号的测量是否可靠？是否可重现）； 6. 采样速度和时序精度（一秒钟可以采集多少个完整的光谱？采集光谱的时刻是否精确？）1. 波长范围 波长范围是光谱仪所能测量的波长区间。最常见的光纤光谱仪的波长范围是400nm-1100nm，也就是可以探测可见光和一部分近红外的光。使用新型探测器可以使这个范围拓展至 200nm-2500nm，即覆盖紫外、可见和近红外波段。光栅的类型以及探测器的类型会影响波长范围。一般来说，宽的波长范围意味着低的波长分辨率，所以用户需要在波长范围和波长分辨率两个参数间做权衡。如果同时需要宽的波长范围和高的波长分辨率，则需要组合使用多个光谱仪通道（多通道光谱仪）。 2. 波长分辨率 顾名思义，波长分辨率描述了光谱仪能够分辨波长的能力，最常用的光谱仪的波长分辨率大约为1nm，即可以区分间隔1nm的两条谱线。Avantes公司可以提供的最高的波长分辨率为 0.025nm。波长分辨率与波长的取样间隔（数据的x坐标的间隔）是两个不同概念。一般来说，高的波长分辨率意味着窄额度波长范围，所以用户需要在波长范围和波长分辨率两个参数间做权衡。如果同时需要宽的波长范围和高的波长分辨率，则需要组合使用多个光谱仪通道（多通道光谱仪）。 3. 噪声等效功率和动态范围 当信号的值与噪声的值相当时，从噪声中分辨信号就会非常困难。一般用与噪声相当的信号的值（光谱辐照度或光谱辐亮度）来表征能一个光谱仪所能够测量的最弱的光强(Y轴的最小值)。噪声等效功率越小，光谱仪就可以测量更弱的信号。狭缝的宽度、光栅的类型、探测器的类型等等参数都会影响噪声等效功率。因为这些参数也会影响波长范围和波长分辨率，用户需要在这些指标间做出取舍。对探测器制冷（Avantes公司的制冷型光谱仪）有助于减小探测器的热噪音，优化探测器检测弱光的能力。 动态范围描述一个光谱仪所能够测量到的最强的信号与最弱的信号的比值。最强的信号为光谱仪在信号不饱和情况下，所能测量的最大信号值，最弱的信号用上述的噪声等效功率衡量。动态范围主要受制于探测器的类型。传统上，动态范围是影响测量方便性的一个很关键的指标，但目前大部分光纤光谱仪都可以通过调整积分时间的方式等效地扩大动态范围，因此，动态范围一般不会对用户的测量带来困扰。 4. 灵敏度与信噪比 灵敏度描述了光谱仪把光信号变成电子学信号的能力，高的灵敏度有助于减小电路本身的噪声对结果影响。狭缝的宽度、光栅的类型、探测器的类型以及电路的参数都会影响灵敏度。衍射效率高的光栅和量子效率高的探测器都有利于提高光谱仪的灵敏度。人为地调高前置放大电路的放大倍数也会提高名义上的灵敏度，但并不一定有助于实际的测量。宽的狭缝会改善灵敏度，但也会降低分辨率，因此，需要用户综合考虑和权衡。
成像光谱仪及其应用概述
成像光谱仪简介及其应用概述 成像光谱仪：将成像技术和光谱技术结合在一起，在探测物体空间特征的同时并对每个空间像元色散形成几十个到上百个波段带宽为10nm左右的连续光谱覆盖。它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像。在陆地、大气、海洋等领域的研究观测中有广泛的应用。 成像光谱仪–概述 成像光谱仪是20世纪80年代开始在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的，它以高光谱分辨率获取景物或目标的高光谱图像，在航空、航天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有广泛的应用，高成像光谱仪可以应用在地物精确分类、地物识别、地物特征信息的提取。建立目标的高光谱遥感信息处理和定量化分析模型后，可提高高光谱数据处理的自动化和智能化水平.。由于成像光谱仪高光谱分辨率的巨大优势，在空间对地观测的同时获取众多连续波段的地物光谱图像，达到从空间直接识别地球表面物质的目的，成为遥感领域的一大热点，正在成为当代空间对地观测的主要技术手段。地面上采用成像光谱仪也取得了很大的成果，如科学研究、工农林业环境保护等方面。 成像光谱仪主要性能参数是：（1）噪声等效反射率差（NE?p），体现为信噪比（SNR）；（2）瞬时视场角（IFOV），体现为地面分辨率；（3）光谱分辨率，直观地表现为波段多少和波段谱宽。 高光谱分辨率遥感信息分析处理，集中于光谱维上进行图象信息的展开和定量分析，其图象处理模式的关键技术有：⑴超多维光谱图象信息的显示，如图像立方体（见图一）的生成；⑵光谱重建，即成像光谱数据的定标、定量化和大气纠正模型与算法，依此实现成像光谱信息的图象-光谱转换；⑶光谱编码，尤其指光谱吸收位置、深度、对称性等光谱特征参数的算法；⑷基于光谱数据库的地物光谱匹配识别算法； ⑸混合光谱分解模型；⑹基于光谱模型的地表生物物理化学过程与参数的识别和反演算法。 高光谱分辨率成像光谱遥感起源于地质矿物识别填图研究，逐渐扩展为植被生态、海洋海岸水色、冰雪、土壤以及大气的研究中。 成像光谱仪的基本原理
突破衍射极限地超高分辨率成像技术发展 (修改)
结课论文 题目突破衍射极限的超高分辨率成像的技术进展 学生 学号 学院 专业 班级 二〇一五年十二月
一引言 1.1选题意义 光学显微成像具有极为悠久的历史，但一直以来，光学成像一直受到衍射极限的限制而分辨率无法突破200 nm。后来虽然有了电子显微镜、核磁共振显像、x光衍射仪等微观观测或者显像设备，但是使用光学显微镜可以在活体状态下观察生命体使得其在生物、医学观察方面仍有巨大优势。值得庆贺的是近年来，超高分辨率显微技术的发展使得光学显微成像分辨率达到了20 nm以下。其中德国科学家Stefan Hell、美国科学家Eric Betzig和William Moerner因其在超高分辨率显微技术方面的突出贡献获得了2014年的诺贝尔化学奖。在这篇文章中，我们就简要介绍一下超高分辨率显微技术的发展和应用，并对诸位大师致以敬意。 1.2技术指标 显微 技术成像优劣一般通过X-Y平面分辨率与Z轴分辨率大小来判定，分辨率越高数值越小。下表是各种显微成像技术的分辨 率指标。
普通光学显微镜200-300 500-700 4Pi显微镜100-150 STED显微技术50-70 STED+4技术50 50 PALM技术20 30 3D STORM技术20-30 50-60 dSTORM技术30 50 2D SSIM技术50 3D SSIM技术100 200 电子显微镜0.05 X光衍射仪0.03-10
二衍射极限 2.1 衍射极限 我们能看到什么？看到多小的围？看得有多清楚？几百年来，依靠不断进步的科学手段，微观世界正一层层揭开面纱，让人们可以看得越来越“小”，进而可以进行研究。 人的肉眼能分辨0.1毫米尺度的物体，再小，就要借助工具。1665年，英国科学家罗伯特·虎克制造了第一台用于科学研究的光学显微镜，用它观察薄薄的软木塞切片。虎克看到了残存的植物细胞壁，它们一个个像小房间一样紧挨在一起，这就是“细胞”一词的由来。 此后，显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，帮助科学家第一次发现了细菌和微生物。那么，光学显微镜是否可以无止境地“放大”下去，让我们想看到多小就能看到多小？科学家为此做了很多尝试，最终发现，存在一道法逾越的“墙”—衍射极限。 1873年，德国科学家阿贝提出了衍射极限理论：光是一种电磁波，由于存在衍射，一个被观测的点经过光学系统成像后，不可能得到理想的点，而是一个衍射像，每个物点就像一个弥散的斑，如果这两个点靠得很近，弥散斑就叠加在一起，我们看到的就是一团模糊的图像。 阿贝提出，分辨率的极限近似于入射光波长的二分之一(d=λ/2)。可见光的波长通常在380~780纳米之间，根据衍射极限公式，光学显微镜的分辨率极限就在200纳米（0.2微米）左右。如果物体小于0.2微米，你仍旧看到的是一个模糊的光斑。这就是很长一段时间，光学显微镜的分辨极限——衍射极限。
超高分辨活细胞成像系统技术
GE超高分辨活细胞成像系统 利用活细胞成像工作站进行细胞和基因的功能研究，是生物医学研究的最新趋势。固定细胞观察仅能提供固定瞬间细胞的静态信息，无法反映细胞在正常生理生化条件下的状态。活细胞观察，对处于正常生理状况下的细胞进行全程扫描和记录，获得其连续、全面、动态过程由于其显示的正常细胞动态的活动过程，很容易发现和确定细胞间相互作用和信号传导的过程，以及在活细胞水平上的生物分子间的相互作用，不仅可以解决长期以来悬而未解的问题，更为未来的研究提出新的问题，指出新的方向。 一、活细胞成像系统原理 目前主流的活细胞成像系统从原理上可以分为两大类： 基于宽场反卷积技术 基于共聚焦技术 两种技术作为目前最流行的活细胞成像技术，均可以实现在维持细胞存活的情况下，快速获取单一焦平面的信号，在具体性能上则各有擅长。 宽场反卷积技术 对光线进行反卷积运算是光学成像领域的成熟技术，最早由美国国家航空航天局开发并成为观察微弱天体信号的标准技术。去卷积和共聚焦技术是光学显微镜领域获得单一焦平面光线的两大主流技术(J.M.Murray, live cell imaging, 2010)。通过将非焦平面的光线还原至焦平面上，大大提高了样品信号的强度以及图像的信噪比。由于去卷积技术设计到大量的后期运算，因此在高性能计算机发明以前，一直受制于运算能力，没有得到大规模的推广。随着近年来计算机性能的大幅提升和价格的下降，去卷积技术逐渐成为光学显微镜的主流技术。一个点光源经过显微镜的光路，由于镜片对光线的衍射和散射，最终呈现在观察者面前的是一个模糊的点，所以点光源变成模糊的点的过程即为卷积。反卷积就是把模糊的点还原成点光源的过程。 以API 公司的DeltaVision系统为例，其反卷积过程经历以下几步： 1)首先通过无数的计算和实验，得到点光源经过显微镜物镜后变模糊的规律，建立模型。 2)选择完美的物镜，保证样品信号经过物镜后变模糊的规律符合步骤一中得到的模型。 3)将通过显微镜光路的所有的光信号进行收集，因为点光源经过显微镜光路后会变成一个空 间中的倒圆锥形，所以在收集信号的时候需要很准确的记录信号的Z 轴信息。 4)对收集到的所有光信号按照步骤一中的模型进行还原，最终将模糊的点还原成清晰的点， 客观反映它在空间的位置和强度。 目前去卷积技术越来越广泛地应用于生物学图像的研究中。 共聚焦技术 共聚焦显微镜它采用点光源(point lightsource) 照射标本,在焦平面上形成了一个轮廓分明 的小的光点(light spot ) ,该点被照射后发出的荧光被物镜收集,并沿原照射光路回送到探测器。探测器前方有一个针孔(pinhole) ,几何尺寸可调。这样,来自焦平面的光,可以会聚在探 测针孔范围之内,而其它来自焦平面上方或下方的散射光,都被挡在探测针孔之外而不能成象。 光束扫描器又分为单光束、多光束或狭缝扫描器几种。其中单光束扫描获得的图像质量最好, 狭缝扫描器虽然产生图像的速率很高(可达实时水平) ,但其图像信噪比低于单光束扫描,这是 因为从狭缝长轴来的漫射光不能被有效遮挡。多光束扫描如碟片式共聚焦是由电动马达驱动
高分辨率遥感成像仿真关键技术研究
高分辨率遥感成像仿真关键技术研究 随着越来越多的高分辨率卫星的陆续发射升空,对地遥感观测早已进入“高分时代”。使用计算机仿真技术模拟遥感器对地观测过程,可直观而准确地分析、评测成像过程中影响图像质量的内外因素和作用机制,为传感器设计、遥感数据处理、图像质量评价、目标特性研究等研究提供依据和指导,具有十分重要的应用价值。高分辨率遥感影像像元覆盖尺寸小,对地物的几何、辐射特性辨识度更高,相较于中低分辨率,高分辨率遥感成像仿真过程应考虑的因素更加复杂。因此,本文结合计算机仿真技术和遥感成像机理,针对高分辨率遥感成像仿真过程中涉及的若干关键技术展开了研究。 具体研究工作体现在:高精细度数字场景的辐射特性模型研究。基于真实场景建立了高精细度的三维数字场景。提出一种BRDF模型特征参数反演方法,修正了大气散射对BRDF特征参数反演的影响,获取了地物本征的方向反射特性。提出一种材质纹理映射方法,将不同材质的本征方向反射特性与高精细度模型进行关联,从而建立了高精细度三维数字场景的辐射特性模型,为后续计算不同光照、大气和观测条件下的入瞳处辐射场提供基础。 高分辨率遥感成像的入瞳处辐射亮度计算。提出一种基于神经网络的光辐射参数快速计算方法,以不同条件下MODTRAN计算的光辐射参数为样本,构建并训练了神经网络以快速计算大气下行辐射、透过率、程辐射、光学厚度等光辐射参数,为并行的辐射传输计算提供必要的输入参数。通过蒙特卡洛方法发射大量的光线并追踪光线与大气和三维场景的交互过程,模拟了地表辐射的多次反射作用,以及大气对地表辐射场的空间调制作用,并最终计算传感器入瞳处辐射亮度,得到理想传感器输出的高分辨率辐亮度图像。基于上述关键技术的研究结果,编制了高分辨率遥感成像仿真程序,将仿真结果与GF-2卫星获取的辐亮度图像进行了对比验证,结果显示仿真的入瞳处辐射亮度图像与实拍的卫星图像之间具有较高的辐射一致性和空间一致性。 本文对高分辨率遥感成像仿真中的若干关键技术进行了系统性的研究。论文的研究成果对发展遥感成像仿真平台、促进仿真技术的工程化应用具有十分重要的意义。
米级车载高分辨率光电成像系统光学设计_刘莹奇
第40卷第8期红外与激光工程2011年8月Vol.40No.8Infrared and Laser Engineering Aug.2011 米级车载高分辨率光电成像系统光学设计 刘莹奇1,2，王志1，刘欣悦1，卫沛峰1 (1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春130033； 2.中国科学院研究生院，北京100049) 摘要：研究了一套能实现机动式布站的米级车载可见光和红外高分辨率光学成像系统新方案。主系统口径1.2m，采用无焦卡塞格林形式，遮拦比1:10；机上中、长波红外成像通道采用共口径光谱分光、二次成像的形式，冷阑匹配效率100％，F数为4；机下成像光学系统焦距47m，F数为39，光学设计满足高分辨率与白天成像的要求，且成像质量达到衍射极限；各通道光学系统结构紧凑。光学设计与分析结果表明：该套光学系统能够用于空中和空间目标的全天时移动式高分辨率可见、红外成像。 关键词：大口径望远镜；高分辨率成像；白天成像；移动式光电跟踪系统；光学设计 中图分类号：TB133文献标志码：A文章编号：1007-2276(2011)08-1512-05 Optical design of vehicle-based high resolution E-O imaging system using meter class telescope Liu Yingqi1,2,Wang Zhi1,Liu Xinyue1,Wei Peifeng1 (1.Changchun Institute of Optics,Fine Mechanics and Physics,Chinese Academy of Sciences,Changchun130033,China; 2.Graduate University of the Chinese Academy of Sciences,Beijing100049,China) Abstract:A set of meter class aperture and vehicle-based optical system including visible,infrared imaging, which was used for motional E-O imaging,was studied.The main system aperture was1.2m,the form of afocal Cassegrain was adopted,and obstruction ratio was1:10.The front aperture of on-vehicle imaging system was shared by MWIR and LWIR,then the spectrum was separately reimaged in the terminal.The F number was4,and100%cold shield efficiency was realized.The focal length of the off-vehicle imaging system was47m and the F number was39.The optical design meet the requiement of high resolution and daylight imaging,and the imaging quality of each channel reached diffraction limit in the off-vehicle imaging system.The optical system configuration of each channel was compact.The design and analysis results indicate that mobile high resolution imaging and all-day imaging of targets in the air and space can be realized with the optical system. Key words:large aperture telescope;high resolution imaging;daylight imaging; mobile E-O tracking system;optical design 收稿日期：2010-12-05；修订日期：2011-01-03 基金项目：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所三期创新研究项目专项资金 作者简介：刘莹奇（1984-），男，研究实习员，博士研究生，主要从事新型光学系统设计工作。Email:a1032510210@https://www.360docs.net/doc/fc5409737.html, 导师简介：卢振武(1955-),男,研究员,博士生导师,主要从事衍射光学等方面的研究。Email:luzw@https://www.360docs.net/doc/fc5409737.html,
超分辨成像技术的新发展
超分辨显微成像技术的新发展 马利红 引言 人类获得信息的主要器官是眼睛，然而靠人眼观察客观事物的空间分辨率的极限约为4 ′米，客观世界中人眼不能分辨的所有细微结构称为微观世界。显微成像技术将310- 微观过程或结构成放大图像，以便于人眼能够直接观察。研究微观世界所涉及的学科领域十分广泛，有生物、医学、材料科学、精密机械、微电子学、分子及原子物理、核物理等等，微观世界中细分的微量尺度原则上是无穷的，因而显微学是跨多学科的，其发展也是无止境的。 1665年，Robert Hooke用原始显微镜发现了池塘水中单细胞有机体，它的出现为人类打开了微观世界的大门。光学显微镜由此成为历代生物学家的主要研究工具之一。生物学家把显微镜作为一种主要工具来研究生物器官、组织和细胞，由此奠定了细胞学和组织学的基础，并对生物学、遗传学、微生物学、病理学和医学的发展起到了极大的推动作用。但传统光学显微镜有以下两个主要缺点：(1)受衍射极限的限制，其分辨率与照明波长是同一个数量级，具有一个数值孔径(NA=nsin(q))的传统光学显微镜，分辨极限l，称之为瑞利判据；(2)由于使用的是场光源，观测到的是一个宽视野图像，为0.61/NA 从而降低了信噪比，影响了图像的清晰度和分辨率。随着生物医学、材料科学等的发展对显微提出了更高的要求，不仅希望其具有更高的分辨率，而且能对样品进行无损成像，甚至希望可观察其三维图像。因此，传统的显微镜已不能满足要求。 电子显微镜的分辨率虽然远高于光学显微镜，但它需要在真空条件下工作，因此很难观察活的生物样品，另外电子束的照射也会使生物样品受到辐照损伤。电子显微镜、的局限以及高分辨显微的需求，迫使人们转向超经典衍射极限的光学超分辨理论和技术研究，利用新原理、新技术、新方法来实现光学高分辨力成像和检测。
光谱仪重要参数
光谱仪重要参数定义 ◆CCD 电荷耦合器件（Charger Coupled Device，缩写为CCD ），硅基光敏元件的响应范围在短波近红外区域。 ◆PDA 二极管阵列（Photodiode Array，缩写为PDA）.光电二极管阵列是由多个二极管单元（象素）组成的阵列，单元数可 以是102，256或1024。当信号光照射到光电二极管上时，光信号就会转换成电信号。大部分光电二极管阵列都包括读 出/积分放大器一体式的集成化信号处理电路。光电二极管的优点是在近红外灵敏度高，响应速度快；缺点是象元数较少、在紫外波段没有响应。 ◆薄型背照式 薄型背照式电荷耦合器件（BT—CCD，Back Thinned Charge Coupled Device)，采用了特殊的制造工艺和特殊的锁 相技术。首先，与一般CCD相比，硅层厚度从数百微米减薄到20μm以下；其次，它采用背照射结构，因此紫外光不 必再穿越钝化层。因此，不仅具有固体摄像器件的一般优点，而且具有噪声低，灵敏度高、动态范围大的优点。 BTCCD有很高的紫外光灵敏度，它在紫外波段的量子效率可以看到，在紫外波段，量子效率超过40％，可见光部 分超过80％，甚至可以达到90％左右。可见，BTCCD不仅可工作于紫外光，也可工作于可见光，是一种很优秀的宽 波段检测器件。 ◆狭缝 光源入口。狭缝面积影响通过的光强度。狭缝宽度影响光学分辨率。 ◆暗电流 未打开光谱仪激发光源时，感光器件接收到的光电信号。主要影响因素有温度，电子辐射等。 ◆分辨率 光学分辨率定义为光谱仪可以分开的最小波长差。要把两个光谱线分开至少要把它们成象到探测器的两个相临象元上。分辨率依赖于光栅的分辨本领、系统的有效焦长、设定的狭缝宽度、系统的光学像差以及其它参数。光栅决定了波长在探测器上可分开的程度（色散），这对于分辨率来说是一个非常重要的变量。另一个重要参数是进入到光谱仪的光束 宽度，它基本上取决于光谱仪上安装的固定入射狭缝或入射光纤芯径（当没有安装狭缝时）。狭缝的尺寸有：10，25 或50μm×1000μm（高）或100，200或500μm×2000μm（高）。在指定波长处，狭缝成象到探测器阵列上时会覆 盖几个象元。而如果要分开两条光谱线，就必须把它们色散到这个象尺寸加上一个象元。当入射光纤的芯径大于狭缝的宽度时，分辨率就要由狭缝的宽度（有效宽度）来决定。 光谱仪分辨率可近似如下度量： R∝ M·F/W 其中M为光栅线数 ,F为谱仪焦距, W为狭缝宽度。 ◆色散 光谱仪的色散决定其分开波长的能力。光谱仪的倒线色散可计算得到：沿光谱仪的焦平面改变距离χ引起波长λ的变化，即：Δλ/Δχ=dcosβ/mF 这里d、β、F分别是光栅刻槽的间距、衍射角和系统的有效焦距，m为衍射级次。由方程可见，倒线色散不是常数，它随波长变化。在所用波长范围内，变化可能超过2倍。 ◆光栅和闪耀波长 光栅作为重要的分光器件，它的选择与性能直接影响整个系统性能。光栅分为刻划光栅、复制光栅、全息光栅等。刻划光栅是用钻石刻刀在涂薄金属表面机械刻划而成；复制光栅是用母光栅复制而成。典型刻划光栅和复制光栅的刻槽是三角形。全息光栅是由激光干涉条纹光刻而成。全息光栅通常包括正弦刻槽。刻划光栅具有衍射效率高的特点，全息光栅光谱范围广，杂散光低，且可作到高光谱分辨率。 光栅主要参数： 1. 闪耀波长，闪耀波长为光栅最大衍射效率点，因此选择光栅时应尽量选择闪耀波长在实验需要波长附近。如实验为可见光范围，可选择闪耀波长为500nm。 2. 光栅刻线，光栅刻线多少直接关系到光谱分辨率，刻线多光谱分辨率高，刻线少光谱覆盖范围宽，两者要根据实验灵活选择。
光谱仪
光谱仪 光谱仪，又称分光仪，广泛为认知的为直读光谱仪。以光电倍增管等光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置。其构造由一个入射狭缝，一个色散系统，一个成像系统和一个或多个出射狭缝组成。以色散元件将辐射源的电磁辐射分离出所需要的波长或波长区域，并在选定的波长上（或扫描某一波段）进行强度测定。分为单色仪和多色仪两种。 根据现代光谱仪器的工作原理，光谱仪可以分为两大类:经典光谱仪和新型光谱仪.经典光谱仪器是建立在空间色散原理上的仪器;新型光谱仪器是建立在调制原理上的仪器.经典光谱仪器都是狭缝光谱仪器.调制光谱仪是非空间分光的，它采用圆孔进光. 根据色散组件的分光原理，光谱仪器可分为:棱镜光谱仪，衍射光栅光谱仪和干涉光谱仪.光学多道分析仪OMA(OpticalMulti-channelAnalyzer)是近十几年出现的采用光子探测器(CCD)和计算机控制的新型光谱分析仪器，它集信息采集，处理， 存储诸功能于一体.由于OMA不再使用感光乳胶，避免和省去了暗室处理以及之后的一系列繁琐处理，测量工作，使传统的光谱技术发生了根本的改变，大大改善了工作条件，提高了工作效率;使用OMA分析光谱，测量准确迅速，方便，且灵敏度高，响应时间快，光谱分辨率高，测量结果可立即从显示屏上读出或由打印机，绘图仪输出。它己被广泛使用于几乎所有的光谱测量，分析及研究工作中，
特别适应于对微弱信号，瞬变信号的检测. 一台典型的光谱仪主要由一个光学平台和一个检测系统组成。包括以下几个主要部分： 1.入射狭缝: 在入射光的照射下形成光谱仪成像系统的物点。 2.准直元件: 使狭缝发出的光线变为平行光。该准直元件可以是一独立的透镜、反射镜、或直接集成在色散元件上，如凹面光栅光谱仪中的凹面光栅。 3.色散元件: 通常采用光栅，使光信号在空间上按波长分散成为多条光束。 4.聚焦元件: 聚焦色散后的光束，使其在焦平面上形成一系列入射狭缝的像，其中每一像点对应于一特定波长。 5.探测器阵列：放置于焦平面，用于测量各波长像点的光强度。该探测器阵列可以是CCD阵列或其它种类的光探测器阵列。 光谱仪应用很广，在农业、天文、汽车、生物、化学、镀膜、色度计量、环境检测、薄膜工业、食品、印刷、造纸、喇曼光谱、半导体工业、成分检测、颜色混合及匹配、生物医学应用、荧光测量、宝石成分检测、氧浓度传感器、真空室镀膜过程监控、薄膜厚度测量、LED测量、发射光谱测量、紫外/可见吸收光谱测量、颜色测量等领域应用广泛。
突破衍射极限的超高分辨率成像技术发展(修改)
突破衍射极限的超高分辨率成像技术发展(修改) -标准化文件发布号：（9456-EUATWK-MWUB-WUNN-INNUL-DDQTY-KII
结课论文 题目突破衍射极限的超高分辨率成像的技术进展 学生姓名 学号 学院 专业 班级 二〇一五年十二月
一引言 1.1选题意义 光学显微成像具有极为悠久的历史，但一直以来，光学成像一直受到衍射极限的限制而分辨率无法突破200 nm。后来虽然有了电子显微镜、核磁共振显像、x光衍射仪等微观观测或者显像设备，但是使用光学显微镜可以在活体状态下观察生命体使得其在生物、医学观察方面仍有巨大优势。值得庆贺的是近年来，超高分辨率显微技术的发展使得光学显微成像分辨率达到了20 nm以下。其中德国科学家Stefan Hell、美国科学家Eric Betzig和William Moerner因其在超高分辨率显微技术方面的突出贡献获得了2014年的诺贝尔化学奖。在这篇文章中，我们就简要介绍一下超高分辨率显微技术的发展和应用，并对诸位大师致以敬意。 1.2技术 指标 显微技术成像优劣一般通过X-Y平面分辨率与Z 轴分辨率大小来判定，分辨率越高数值越 小。下表是各种显微成像技术的分辨率指标。
STED显微技术50-70 STED+4技术50 50 PALM技术20 30 3D STORM技术20-30 50-60 dSTORM技术30 50 2D SSIM技术50 3D SSIM技术100 200 电子显微镜 X光衍射仪
二衍射极限 衍射极限 我们能看到什么看到多小的范围看得有多清楚几百年来，依靠不断进步的科学手段，微观世界正一层层揭开面纱，让人们可以看得越来越“小”，进而可以进行研究。 人的肉眼能分辨毫米尺度的物体，再小，就要借助工具。1665年，英国科学家罗伯特·虎克制造了第一台用于科学研究的光学显微镜，用它观察薄薄的软木塞切片。虎克看到了残存的植物细胞壁，它们一个个像小房间一样紧挨在一起，这就是“细胞”一词的由来。 此后，显微镜制造和显微观察技术的迅速发展，帮助科学家第一次发现了细菌和微生物。那么，光学显微镜是否可以无止境地“放大”下去，让我们想看到多小就能看到多小科学家为此做了很多尝试，最终发现，存在一道法逾越的“墙”—衍射极限。 1873年，德国科学家阿贝提出了衍射极限理论：光是一种电磁波，由于存在衍射，一个被观测的点经过光学系统成像后，不可能得到理想的点，而是一个衍射像，每个物点就像一个弥散的斑，如果这两个点靠得很近，弥散斑就叠加在一起，我们看到的就是一团模糊的图像。 阿贝提出，分辨率的极限近似于入射光波长的二分之一(d=λ/2)。可见光的波长通常在380~780纳米之间，根据衍射极限公式，光学显微镜的分辨率极限就在200纳米（微米）左右。如果物体小于微米，你仍旧看到的是一个模糊的光斑。这就是很长一段时间内，光学显微镜的分辨极限——衍射极限。
高分辨率遥感影像数据一体化测图系统PixelGrid
高分辨率遥感影像数据一体化测图系统PixelGrid 北京四维空间数码科技有限公司 一、概况介绍 高分辨率遥感影像数据一体化测图系统PixelGrid（以下简称“PixelGrid”）是由中国测绘科学研究院自主研发的“十一五”重大科技成果，获得2009年度国家测绘科技进步一等奖。 为将这一重大科技成果实现产业化，2008年开始，由中国测绘科学研究院参股单位北京四维空间数码科技有限公司进行成果转化和产品化，并开展销售。 该软件是我国西部1:5万地形图空白区测图工程以及第二次全国土地调查工程的主力软件， 被誉为国产的“像素工厂”。 PixelGrid以其先进的摄影测量算法、集群分布式并行处理技术、强大的自动化业务化处理能力、高效可靠的作业调度管理方法、友好灵活的用户界面和操作方式，全面实现了对卫星影像数据、航空影像数据以及低空无人机影像数据的快速自动处理，可以完成遥感影像从空中三角测量到各种比例尺的DEM/DSM、DOM等测绘产品的生产任务。 PixelGrid软件主界面。 二、主要特点 PixelGrid系统以现代摄影测量与遥感科学技术理论为基础，融合计算机技术和网络通讯技术，采用基于RFM通用成像模型的大范围遥感影像稀少或无控制区域网平差、基于旋转/缩放不变性特征多影像匹配的高精度航空影像自动空三、基于多基线/多重特征的高精度DEM/DSM自动提取、等高线数据半自动采集及网络分布式编辑、基于地理信息数据库等多源控制信息的高效影像地图制作、基于松散耦合并行服务中间件的集群分布式并行计算等一系列核心关键技术，是中国测绘科学研究院研制的一款类似“像素工厂”（ISTAR PixelFactoryTM）的新一代多源航空航 天遥感数据一体化高效能处理系统。
基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计
第!!卷! 第"期!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析#$%&!!!'$&"!(( )),)-)),=)*+!年"月!!!!!!!!!!!!.(/012$30$(4567.(/0125%865%43938:; :31!)*+!!基于"::425结构分视场成像光谱仪光学设计 吴从均+ ) 颜昌翔+" 刘!伟+ 代!虎+ )+<中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学一部!吉林长春!+!**!! )<中国科学院大学!北京! +***J I 摘!要!为满足航天应用中仪器小型和轻量化)大视场的观测要求!通过分析现有C R R 6/2成像光谱仪!给出了一种简单的采用凸面光栅设计成像光谱仪的方法"并据此方法设计了一应用于J **^P 高度!波段范围为*&J " +*P !焦距为,)*P P !E 数为L !全视场大小为J &!V 的分视场成像光谱仪系统"分视场采用光纤将望远系统的细长像面连接到光谱仪的三个不同狭缝而实现"三狭缝光谱面共用一个像元数为+*)J c +*)J !像元大小+"*Pc +"*P 的B B E 探测器"通过g H S 8N 软件优化和公差分析后!系统在)"%(+P P \+处S ?>优于*&=)!光谱分辨率优于L 6P !地面分辨率小于+*P !能很好的满足大视场应用要求!该光学系统 刈幅宽度相当于国内已研制成功的同类最好仪器的三倍"关键词!C R R 6/2 %成像光谱仪%分视场%光学设计中图分类号 C J !!!!文献标识码 8!!!%"& +*&!I =J K &9336&+***-*L I ! )*+! *"-)),)-*L !收稿日期 )*+)-++-)+ 修订日期 )*+!-*)-+=!基金项目 国家# "=!计划$项目#)*++88+)8+*!$资助!作者简介 吴从均!+I "=年生!中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生!!/-P 59%&Q :0$6;K :6,"I ! +=!<0$P "通讯联系人!!/-P 59%&4560j ! 09$P (<50<06引!言 !!星载超光谱成像仪按地面像元分辨率分为中分辨率和高 分辨率!中分辨率超光谱成像仪地面分辨率为数百米至数千 米量级!高分辨率超光谱成像仪为数十米量级' +("目前制约星载成像光谱仪发展的主要是探测器和分光方式!国内星载设备探测器一般都通过国外购买!价格昂贵!而且购买的渠道越来越窄%分光方式上!光栅和棱镜作为传统的分光元件!各自存在一定的缺点"傅里叶变换光谱仪虽然是一种比较理想的成像光谱仪形式!但环境要求非常高!往往信噪比并不是很高%基于8C ?>)T B ?> )波带片等二元光学元件和折衍射系统组合的分光在星载应用中相对还不成熟')!!("传 统光谱仪系统包括准直和成像系统!一些独特结构的光谱仪系统采用汇聚光路!这种方法在很大程度上都采用了准直和成像对称形式!C R R 6/2结构就是一种对称严格的结构形式"C R R 6/2光栅成像光谱仪在)*世纪I *年代初就已经被提 出了!随着光栅制造水平的提高!其结构简单)利于小型化 的突出优势逐渐被放大!已经在应用中崭露头角'J ("文献 'L !=(分别从如何消除像散等离轴像差上分析了C R R 6/2成像 光谱仪的设计方法!文献',(给出了在汇聚光路中和在发散光路中分别采用光栅和曲面棱镜设计成像光谱仪的光学系统 并比较了两者的优缺点!程欣等' "(采用在汇聚光路中加入>p 24棱镜作为分光元件设计了光谱范围在* &J ")&L *P 的成像光谱仪"一些相关文献中还对C R R 6/2成像光谱仪的机械结构设计'I ()图像数据压缩)装调方法'+*(和杂散光'++(的分 析研究" 分视场成像光谱仪#3:Z -R 9/%79P 5;96;3(/012$P /1/2!.>@. $能有效增大地面刈副宽度!利用视场分割思想!将望远镜宽线视场分割)折叠成窄线视场阵列!通过一个光谱仪进行分光!充分发挥面阵探测器的优势!各窄线视场的光谱图像数据按序首尾相连!便得到了宽线视场情况下的高分辨率超光谱成像数据"早期的宽视场大部分采用视场分离器分 别进入不同光谱仪系统' +)(!这种情况下光谱仪必须根据视场分离的结果置很多台!而且体积大"本方法大大减小了仪器的体积和重量" +!C R R 6/2光谱仪的设计方法!!对于C R R 6/2结构的数值分析设计在文献'L !=(中给出了详细的设计过程!而且这些结构都是通过离轴形式对其进行分析!过程极为繁琐"下面从同轴结构出发进行分析!可以很快得到这种初始结构"'('!确定凸面光栅的曲率半径
(完整word版)计算成像
计算成像 1.为何要研究计算成像？ 计算成像能够实现传统成像无法完成的任务，例如：去除运动模糊、超分辨率重建等。 2.用计算成像的方法怎样提高图像分辨率？ 增加空间分辨率最直接的解决方法就是通过传感器制造技术减少像素尺寸（例如增加每单元面积的像素数量）。然而，随着像素尺寸的减少，光通量也随之减少，它所产生的散粒噪声使得图像质量严重恶化。不受散粒噪声的影响而减少像素的尺寸有一个极限，对于0.35微米的CMOS处理器，像素的理想极限尺寸大约是40平方微米。当前的图像传感器技术大多能达到这个水平。 另外一个增加空间分辨率的方法是增加芯片的尺寸，从而增加图像的容量。因为很难提高大容量的耦合转换率，因此这种方法一般不认为是有效的。在许多高分辨率图像的商业应用领域，高精度光学和图像传感器的高价格也是一个必须考虑的重要因素。因此，有必要采用一种新的方法来增加空间分辨率，从而克服传感器和光学制造技术的限制。 （1）超分辨率重建 图像超分辨率是指由一幅低分辨率图像或图像序列恢复出高分辨率图像，高分辨率图像意味着图像具有高像素密度，可以提供更多的细节，这些细节往往在应用中起到关键作用。图像超分辨率技术分为超分辨率复原和超分辨率重建。超分辨率重构的基本过程为：先进行图像退化分析，然后进行图像的配准，最后根据配准的信息对图像进行重构。目前，图像超分辨率研究可分为3个主要范畴：基于插值、基于重建和基于学习的方法。具体方法有：规整化重建方法，均匀空间样本内插方法，迭代反投影方法(IBP)，集合理论重建方法(凸集投影POCS)，统计重建方法(最大后验概率MAP和最大似然估计ML)，混合ML/MAP/POCS 方法，自适应滤波/维纳滤波/卡尔曼滤波方法，确定性重建方法基于学习和模式识别的方法。 超分辨率重建，即通过硬件或软件的方法提高原有图像的分辨率，通过一系列低分辨率的图像来得到一幅高分辨率的图像。超分辨率重建的核心思想就是用时间带宽（获取同一场景的多帧图像序列）换取空间分辨率，实现时间分辨率向空间分辨率的转换。在基于超分辨率重建的空间分辨率增强技术中，其基本前提是通过同一场景可以获取多幅低分辨率细节图像。在超分辨率重建中，典型地认为低分辨率图像代表了同一场景的不同侧面，也就是说低分辨率图像是基于亚像素精度的平移亚采样。如果仅仅是整数单位的像素平移，那么每幅图像中都包含了相同的信息，这样就不能为高分辨率图像的复原提供新的信息。如果每幅低分辨率图像彼此之间都是不同的亚像素平移，那么它们彼此之间就不会相互包含，在这种情况下，每一幅低分辨率图像都会为高分辨率图像的复原提供一些不同的信息。为了得到同一场景的不同侧面，必须通过一帧接一帧的多场景或者视频序列的相关的场景运动。我们可以通过一台照相机的多次拍摄或者在不同地点的多台照相机获取多个场景，例如在轨道卫星一类可控制的图像应用中，这种场景运动是能够实现的；对于局部对象移动或者震荡一类的不可控制的图像应用也是同样能实现的。如果这些场景运动是已知的或者是在亚像素精度范围了可估计的，同时如果我们能够合成这些高分辨率图像，那么超分辨率重建图像复原是可以实现的。
高分辨率活细胞成像系统
高分辨率活细胞成像系统 一总体要求 ★1满足科研科室要求，凡涉及设备安装及施工由中标方负责，按照科室要求提供交钥匙工程 2投标时要求提供原厂家的检验报告、技术参数表及产品彩页 3投标产品应为国际知名品牌，最先进机型及配置，适用于科研、教学并满足将来科研发展需要。 ★4仪器配备所有软件使用最新版本且终身免费升级，端口免费开发，能够与我院各信息系统无缝对接 5数量：1台 二技术要求 1光源部分 1.1固态激发光源，由不少于7个独立单色激发光源组成，发射端能量22-89mW；包括如下光源 1.1.1381-399nm（DAPI，BFP），能量＞50mW 1.1.2426-450nm（CFP，Pacific Blue）能量＞80mW 1.1.3461-489nm（GFP，EGFP）能量＞50mW 1.1.4505-515nm（YFP）能量＞20mW 1.1.5529-556nm（OFP，RFP，DsRed）能量＞80mW 1.1.6563-588nm（mCherry）能量＞80mW 1.1.7621-643nm（Cy5）能量＞40mW 1.2瞬时开关，光源通电至稳定工作间隔时间低于100微秒，非工作时光源自动关闭。光源工作寿命＞10000小时 1.3激发光经过光纤传输，通过光强探测器实时监测入射光强变化 2显微镜部分 2.1高性能减震台 2.2研究型倒置显微镜 ★2.3提供科勒照明和临界照明两种照明方式并可根据用户是目镜观察还是成像自动电动切换 2.4物镜配备：60X平场复消色差物镜（油镜），数值孔径＞1.42 40X平场半复消色差物镜（油镜），数值孔径＞1.3 40X长工作距离（2.7-4mm）半复消色差物镜，数值孔径＞0.6 20X长工作距离（6.6-7.8mm）半复消色差物镜，数值孔径＞0.45 10X平场复消色差物镜，数值孔径＞0.4