数字微镜近红外光谱仪光学系统设计与实验

针对传统光谱仪体积大、成本高、检测速度慢、需样品前处理等不足,提出了利用数字微镜面阵（DMD）实现光谱谱面分割分时选通的近红外光谱仪光学系统.首先,对比传统光路介绍单探测器微型光谱仪系统测量原理|然后结合DMD特性提出光路方案,根据几何光学原理进行初步光学元件选型和光路结构设计,利用ZEMAX光学软件对光路进行仿真,确定结构参数|最后,搭建实验平台,进行光路测试.实验结果表明:该系统光路尺寸为70 mm×130 mm,测量波段为（900～1 500 nm）,分辨率可达19 nm|在能量损失较小的情况下,减小狭缝尺寸可提高光学分辨率,狭缝的极限尺寸为200 μm|减小狭缝子午面高度可减小谱面内弯曲现象.本系统基本满足近红外分光,实现单点探测器光谱测量的要求.     

轻小型短波红外自准直高光谱成像仪设计

随着搭载平台技术的不断进步,对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求,轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题,本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导,得到满足高光谱分辨率、小尺寸要求的自准直系统的初始结构,并逐步进行优化。同时,在狭缝处引入一块平面反射镜,对望远系统进行折叠,避免狭缝与探测器干涉,并进一步压缩系统的尺寸。最终设计的成像光谱仪工作波段为1610～1640 nm,F数优于3,在奈奎斯特频率为20 lp/mm时,调制传递函数（MTF）均优于0.8,全视场均方根半径（RMS）均小于7μm,光谱分辨率均优于0.1 nm。光学系统尺寸优于460 mm×150 mm×150 mm。本文研究为短波红外波段高光谱探测成像光谱仪实现轻量化、小型化设计提供了一定的理论基础。     

双罗兰圆结构光谱仪的光学系统设计

提出一种基于双罗兰圆光学结构的光谱仪光学系统及其设计方法。其中,200 nm～500 nm光路为常规的罗兰圆光学结构;500 nm～700 nm光路运用凹面光栅第零衍射级次光谱线,利用平面反光镜将谱线射入另一个凹面光栅,实现了双罗兰圆光学结构。根据设计要求及光学系统各个参数之间的相互约束,设计、计算出光学系统各个参数指标,基于Zemax仿真分析,调整光学参数并验证光学系统的可行性。针对平面信号探测器在罗兰圆周上存在像差问题,利用反光镜增添信号探测器的可摆放个数,使像差比初始结构减小4.475 μm,光谱仪整体光学结构尺寸小于400 mm × 500 mm。仿真结果表明:光谱仪所测的光谱波段范围可达200 nm～700 nm,全波段分辨率达0.4 nm。     

基于自适应光学技术的太阳光栅光谱仪的像差校正方法研究

太阳光栅光谱仪是研究太阳大气分层结构特性的重要仪器,其性能受到大气扰动及系统装配误差等引入的波前像差的限制,需要采用自适应光学进行校正。由于光栅光谱仪中的狭缝对波前像差的滤波作用,使得传统自适应光学无法直接用于光栅光谱仪中。研究了狭缝对自适应光学技术波前校正能力的影响,提出了一种基于狭缝滤波灵敏度的差别校正方法并进行了数值模拟仿真分析。数值仿真结果表明:自适应光学校正后,由像差引起的光谱分辨率衰减量总体上优于1%,从而说明了该校正方法能有效地抑制大气扰动和系统静态像差所引起的光谱展宽,从而提高了光谱分辨率。自适应光学校正后能够有效地提高能量利用率η,当狭缝宽度为3倍艾里斑直径时,η由校正前的约20%提高到了90%以上。     

Offner型成像光谱仪波长使用范围和光谱分辨率研究

研究了Offner型成像光谱仪消像差结构的参量和性能.用几何法推导出Offner型成像光谱仪的波长使用范围、系统线色散以及光谱分辨率的计算公式;在理想像差条件下,分析了Offner型成像光谱仪光谱分辨率与入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率和探测器像元尺寸各个因素之间的关系;探讨了提高光谱分辨率采用的方法和技术,解决了光谱仪的各个参量和光谱分辨率之间的矛盾.研究表明:当系统像差很小可忽略时,通过减小狭缝宽度,有利于提高光谱分辨率;Offner型成像光谱仪的分辨率由入射狭缝宽度、光栅和CCD像元尺寸三者中分辨本领最低的参量确定.     

基于数字微镜技术的阿达玛变换近红外光谱仪

构建了一个基于数字微镜技术的新型阿达玛变换近红外光谱仪.光学信号采用光纤引入,以光栅作为分光元件,利用数字微镜代替传统的机械式阿达玛模板进行光学编码调制,使用单点InGaAs红外探测器检测调制后的光信号,通过快速阿达玛解码还原出原始光谱.通过实验检验了光谱仪的分辨率、信噪比、稳定性以及谱图获取速度等指标.实验结果表明,...     

基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计研究

根据凹面光栅的几何像差理论,提出了一种基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计方法,该方法利用遗传算法和光学设计软件ZEMAX两次优化来获得最优的光学结构参数。以设计一个远紫外成像光谱仪为实例,工作波段110～180nm,狭缝尺寸50μm×5mm,数值孔径0.1,利用ZEMAX软件对设计结果进行了分析和评价,结果表明,不同波长的光学传递函数在奈奎斯特频率101P/mm处均大于0.7,点列图半径的均方根值小于14μm,在工作波段内获得了良好的成像质量,满足空间分辨率0.5mrad,光谱分辨率0.6nm的设计要求,也证明了该优化设计方法是可行的,可在其他波段推广应用,对光栅色散型成像光谱仪的设计具有指导意义。     

高分辨率Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

为了克服光栅光谱仪分辨率低、像差较大、体积大的缺点,根据光谱仪工作原理和几何光学像差理论,设计了一种光谱范围为350~450nm的Czerny-Turner光谱仪光学系统.计算了光学系统各光学元件的特征参量和系统结构参量.运用光学设计软件Zemax对系统进行光线追迹与优化设计,并对设计结果进行分析.理论和实验结果均表明,该系统在350~450nm光谱范围内分辨率小于0.1nm,系统体积约为105×105×20mm3,整个光学系统具有结构简单、体积小、分辨率高、稳定性好等优点.     

基于离轴三反光学系统的高分辨率中阶梯光栅光谱仪

基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪.首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号.然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正.最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400～900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm.     

宽场平谱面全息凹面光栅光谱仪的设计

全息凹面光栅光谱仪具有平谱面、小型化、大孔径、高分辨率等优点。首先从信息光学的角度推导了全息凹面光栅的成像公式,在垂直于狭缝和平行于狭缝的平面上系统分析了全息凹面光栅光谱仪的成像性能;在垂直于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪具有良好的平谱面性;在平行于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪克服了传统平面光栅的谱线弯曲和色畸变,实现了谱线平直成像;此外指出全息凹面光栅光谱仪固有的弧矢场曲对视场扩展的限制。然后根据理论分析结果提出了结构对称消场曲的全息凹面光栅光谱仪的设计思想,利用ZEMAX软件优化设计了像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。在保证相对孔径F#=3、光谱分辨率为20nm/mm、空间分辨率小于25μm等技术指标不变的前提下,设计了狭缝长度为0.4mm的传统单球面镜全息凹面光栅光谱仪和狭缝长度为8mm的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。结果表明,改进后的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪成功地将视场扩大为单球面镜全息凹面光栅光谱仪的20倍。     

小型分段式高分辨率中阶梯光栅光谱仪的设计

由于棱镜具有色散不均匀的特点,中阶梯光栅光谱仪的二维谱图在长波波段不可避免地存在相邻衍射级次间相互干扰的情况。为了克服这一缺点,同时充分利用探测器像面,设计了一种小型分段式的中阶梯光栅光谱仪。通过对中阶梯光栅和棱镜色散原理的详细分析,确定了二者参数与探测器之间的关系,结合双缝间隔设计方法,采用双狭缝切换的方式,给出分段式中阶梯光栅光谱仪的设计方法。利用此方法将系统的波段范围165～800 nm分为165～230 nm和210～800 nm两部分,焦距设计为200 mm,分别采集双波段的二维谱图。使用光学设计软件对光学系统进行仿真,结果表明,200 nm处的实际光谱分辨率可达0.015 nm,满足设计指标的要求。     

数字微镜哈达玛光谱仪谱线弯曲的分析与修正

由于数字微镜（digital micro-mirror device, DMD)哈达玛变换光谱仪其成本低,光能利用率高及无运动部件等优势,逐渐成为光谱仪领域的研究重点。研制了一款基于DMD的哈达玛变换光谱仪。为了解决光谱仪谱线弯曲造成的光谱分辨率下降的问题,对基于DMD的哈达玛变换光谱仪中的谱线弯曲所引起的谱带混叠进行了分析。首先,导出了谱带混叠与谱线弯曲的关系式。然后,提出了两个过程来解决谱带混叠,一是通过调整DMD编码条纹,使DMD所编码的谱带最大限度地与标准谱带重合; 二是通过数据处理对谱带混叠进行修正。最后,通过对谱线曲率半径为5.8×104,7.8×104和9.7×104 μm等六种情况下谱带混叠进行了分析与修正,拟合出光谱混叠和修正效果与谱线曲率半径的关系。结果表明： 对于不同程度的谱线弯曲经过这两个过程修正后,分辨率都会改善到接近光学系统的分辨率, 说明这两个过程对修正谱线弯曲具有普适性、并且方法简单、有效。     

基于ZnSe平板波导的小型光谱仪光学系统设计

一般光谱仪的小型化是通过缩小元件尺寸和元件间距离实现的,会降低仪器的性能。为实现高光通量、高光谱分辨率的红外光谱探测,提出一种基于ZnSe平板波导的小型光谱仪的设计方法。说明平板波导结构压缩光束的原理,根据介质中光栅的衍射特性,推导出光谱分辨率与各个参数的关系,给出一个小型光谱仪的具体设计。仪器的光谱范围为8~14μm,光谱分辨率为80 nm,数值孔径为0.3,光学系统是一整块ZnSe平板波导,尺寸为70 mm×70 mm×4 mm。并与相同设计指标下一般Czerny-Turner结构的光谱仪进行对比分析。结果表明基于ZnSe平板波导的小型光谱仪系统尺寸更小,光谱分辨率更高,光通量更大。     

基于倾斜场镜的C-T成像光谱仪优化设计

残留谱线弯曲限制了切尔尼-特纳平面光栅光谱仪在成像光谱仪中的应用.本文不同于传统的基于棱镜的光栅谱线弯曲补偿方法,提出了基于倾斜场镜的补偿方法,即在校正场曲的同时对入射到场镜不同区域,不同波长的狭缝像分别进行谱线弯曲校正,且没有改变系统的其它光学特性.对狭缝大小为7.8mm×0.016mm、光谱范围0.31~0.5μm、光谱分辨率0.4nm、物方焦距70mm、1∶1放大倍率的切尔尼-特纳成像光谱仪进行了优化设计,结果全谱段、全视场MTF0.8,点列图RMS半径小于9μm,相对谱线弯曲小于0.2%,满足设计要求.实际设计表明该方法对于可选用光学玻璃有限,且能量较弱的紫外光学系统是一种可选的优化设计方法.     

二维全谱高分辨中阶梯光谱仪光学系统设计

传统的罗兰圆光谱仪和Czerny-Turner型光谱仪常常采用刻线密的光栅和大的成像焦距,来提高其光谱分辨率,其结果导致成本高和仪器体积庞大。为了克服这一缺点,提出了一种中阶梯光栅和低色散棱镜相结合的光谱仪光学系统设计方法。具体分析了中阶梯光栅的基本原理和使用方法,给出设计基于中阶梯光栅的光谱仪基本步骤,并且实际设计了基于中阶梯光栅的高分辨光谱仪光学系统,焦距为400 mm,可在全谱工作波段180~800 nm成二维光谱。Zemax光学设计软件对光学系统进行光线追迹结果表明,该系统环围能量在单个CCD像素(24 mm×24 mm)内达到50%~70%以上,200 nm处分辨率可达0.00675 nm,完全满足设计指标要求。     

基于平板波导的小型红外光栅光谱仪光学设计

为实现红外光谱仪器的小型化,通过分析现有小型光谱仪,提出了一种基于平板波导的小型红外光栅光谱仪的设计方法。平板波导光谱仪的小型化原理与一般的微小型光谱仪不同。在平板波导光谱仪中,光束被限制在一层薄薄的平板波导介质中传播,看起来像是整个光学系统被压扁了。在垂直于平板波导的方向上光学元件的尺寸可以做到很小,从而显著减小光学系统的尺寸。该系统的设计可分为Czerny-Turner结构设计、波导结构设计。先根据像差理论设计Czerny-Turner结构,目标是保证光谱分辨率及校正像差;然后根据几何光学理论设计波导结构,包括平板波导和两个柱面透镜,目标是压缩光束并校正像散;最后将它们输入Zemax软件中进行综合优化,以获得最优的光学系统。据此方法设计了一个平板波导红外光栅光谱仪,工作波段为8~12 μm,数值孔径为0.22,采用线阵探测器。通过Zemax软件对结果进行分析和评价,表明仪器光学系统的尺寸为130 mm×125 mm×20 mm,工作波段内光谱分辨率达到80 nm,满足设计指标要求。证明了该优化设计方法是可行的,所得系统尺寸小、性能高。     

双色散二维阿达玛变换光谱仪

设计了一种双色散二维调制的阿达玛变换光谱仪,利用光栅在水平方向的谱级色散和棱镜在垂直方向的谱线色散进行二维分光。与传统的二维光谱CCD探测方法不同,该设计独辟蹊径,采用面阵数字微镜对二维光谱进行阿达玛调制,并利用单点式检测器进行光信号的检测。理论计算及光学仿真表明,与传统的二维光谱探测仪器相比,该光谱仪不仅具有高的分辨率,同时还具有很高的信噪比。     

棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计

为实现成像光谱仪系统的直视性和小型化特点,设计一种棱镜-光栅-棱镜（PGP）结合式元件,作为分光系统的成像光谱仪光学系统装置。系统主要包括PGP分光原件、准直系统、成像系统和接收系统。光栅采用体全息相位光栅,可以获得很高的衍射效率,准直和成像镜采用对称式结构,可以有效地消垂轴像差。根据实际指标探测器像元尺寸为20 m20 m,像元数为512512,采用双像元合并方法,光谱通道数为148个,狭缝大小为10.2 mm10.2 mm,波段在400 nm~800 nm,物方数值孔径为0.15。分析了PGP光谱成像系统的原理、特点,对参数关系和体全息相位型光栅的衍射效率进行了详细的讨论。分析结果表明:PGP元件在整个光谱范围内理论衍射效率大于0.6,采用ZEMAX软件进行优化设计,得到系统的平均光谱分辨率优于3 nm,在截止频率处平均传递数大于0.7,系统总长90 mm。     

新型便携式中阶梯光栅光谱仪光学设计与消杂散光研究

中阶梯光栅光谱仪凭借着高分辨率、小体积、全谱瞬态直读等优异特性成为了现代光谱仪器研究的热点和重点。为了进一步缩小它的体积,提高仪器信噪比和检出限,设计了一种新型结构的中阶梯光栅光谱仪,其折叠主光路的设计可以在不改变成像质量、不降低光谱分辨率的前提下减小仪器体积,光学尺寸小于165 mm×70 mm×65 mm,光谱分辨率为0.06 nm@200 nm。同时设计了挡板、光阑等结构减小仪器的杂散光,经过光线追迹仿真实验,新型中阶梯光栅光谱仪杂散光低于2×10-5,显著地提高了仪器的信噪比。     

交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

根据Czerny-Turner结构光谱仪工作原理,以便携式微型光学系统为设计目标,设计了一种光谱范围为200900nm的交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统.通过分辨率、光谱范围等设计要求确定光谱仪大致结构后,引入初级像差对初始结构进行进一步优化.首次提出将球差约束条件与光阑面选取相结合,设计流程确定准直镜通光口径、光栅初始尺寸及聚焦镜中心波长对应口径,继而结合彗差约束条件,确定球面镜离轴角,并基于几何光学确定聚焦镜初始通光口径的方法.利用ZEMAX软件对初始参量进行模拟优化,并采用自主研制的样机进行光谱测量,分析结果表明,该光学系统能够在狭缝宽度为25μm,光栅常数为1.667μm/line条件下,实现中心波长分辨率优于1nm,边缘波长分辨率优于1.5nm.