Offner型与Dyson型长波红外成像光谱仪性能对比研究

针对传统长波红外成像光谱仪难以同时实现弱遥感信号下高信噪比和小型化的现状,在数值孔径NA为0.19和0.33,工作波段为8~12μm下,设计并对比分析了两种具有同心结构的Offner凸面光栅和Dyson凹面光栅光谱仪,借助Zemax软件,获得了它们的最优解。当NA1=0.19时,两者均能理想成像,Offner结构大小为245mm×213mm×111mm,调制传递函数(MTF)大于0.38,光谱分辨率为35nm,谱线弯曲小于4.8%,色畸变小于12.8%;Dyson结构大小为308mm×61mm×49mm,MTF大于0.48,光谱分辨率为12nm,谱线弯曲小于0.047%,色畸变小于0.138%。当NA2=0.33时,Offner结构无法理想成像,Dyson结构仍有很好的像质,大小为317mm×88mm×88mm,MTF大于0.71,光谱分辨率为1nm,谱线弯曲小于0.015%,色畸变小于0.028%。设计结果表明,长波红外波段中,相对于Offner结构,Dyson结构具有数值孔径大、体积小、光谱分辨率和传递函数高以及谱线弯曲和色畸变小的优点。     

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.     

星载大视场短波红外成像光谱仪光学设计

根据大视场短波红外成像光谱仪的要求,考虑到市售探测器的限制,提出了视场分离的方法,分析了视场分离方法的原理.利用此方法设计了一个星载大视场短波红外成像光谱仪光学系统,该系统由11.42°远心离轴三反消像散前置望远系统和2个Offner凸面光栅光谱成像系统组成,运用光学设计软件CODE V和ZEMAX对成像光谱仪光学系统...     

光谱仪用平场凹面光栅的凸面母光栅的消像差设计思路

平场全息凹面光栅是光谱仪中的核心元件之一,其成像质量和衍射效率直接影响了光谱仪的分辨率和光能利用率。利用凸面母光栅复制制作凹面光栅,便于在凸面基底上进行离子束刻蚀以获得高的衍射效率。为了保证复制的凹面光栅具有高的成像质量,文章提出一种全息凸面光刻胶光栅的消像差设计方法,优化中考虑了凸面基底对记录光束的折射效应以及由基底折射率所引入的附加光程。通过将“光程函数级数展开法”和ZEMAX光学设计软件相结合,采用粗精两步优化的方法,显著提高了优化的效率和成功率。ZEMAX对比仿真结果显示,复制得到的凹面光栅与传统直接采用全息法制作的凹面光栅的成像质量是相当的。     

基于Offner中继结构的机载棱镜色散成像光谱仪系统设计

考虑到机载遥感平台对成像光谱仪小型化、轻量化要求的逐渐提高,在分析了主要几种成像光谱仪特点的基础上,重点阐述了技术成熟度较高的光栅色散和棱镜色散型成像光谱仪,研究了基于Offner中继成像结构的紧凑型成像光谱系统。结合Offner同心光学系统成像特点,在给定系统指标的情况下,设计出了两种在发散和会聚光束中使用色散元件的全球面光谱系统,给出了系统的调制传递函数、点列图以及系统谱线弯曲、色畸变曲线。结果表明,两种结构的Offner成像光谱仪,实现了遥感仪器小型化的目的,具有接近衍射极限的优良成像性质。同时,很好地控制了系统的谱线弯曲和色畸变,保证了获取光谱数据的一致性。     

双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计

提出了双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计方法.将使用波段一分为二,由两个使用结构相同的平场全息凹面光栅分别进行光谱成像以达到提高光谱分辨率的目的.根据全息凹面光栅像差理论,对光栅的使用结构和两光栅各自的制作结构进行优化求解以校正离焦、像散、彗差和球差等各种像差.据此原理设计了工作波段为200~800 nm、探测器长...     

宽波段高分辨率Dyson成像光谱仪设计研究

主要对一种远心成像光谱仪系统,即Dyson成像光谱仪进行了设计研究。这种成像光谱仪结构简单紧凑,仅由一个半球透镜和一个凹面光栅组成。在Rowland圆与折射理论的基础上,分析了Dyson成像光谱仪在宽波段下可消除像散的重要条件,即光栅半径与半球透镜半径之比,并获得了具备极高光学性能的光学系统参数计算条件。为了使这种成像光谱仪更适宜于工程化应用,又在其基础之上设计和分析了探测器表面脱离半球透镜的方法。设计实例获得了数值孔径0.33,工作波段0.38~1.7 μm,狭缝长度15 mm,像面表面成像斑均方根值半径小于2.5 μm的Dyson成像光谱仪结构和改进后的像斑均方根值半径小于8 μm的改进型Dyson成像光谱仪结构。该设计方法和设计结果合理可行,优化结构性能优越,并可用于工业及遥感等多个领域。     

大视场高分辨力星载成像光谱仪光学系统设计

大视场、高分辨力星载成像光谱仪已成为空间遥感的迫切需求.根据大视场、高分辨力的研究目标,提出了先视场分离分光再用分色片分光的设计方法,分析了视场分离分光的原理.设计了一个全反射式星载成像光谱仪光学系统,该系统由指向镜、11.42°远心离轴三反消像散(TMA)前置望远系统和4个Offner凸面光栅光谱成像系统组成,通过恰...     

机载轻小型高分辨率成像光谱仪光学系统设计

为了满足轻小型机载遥感平台对成像光谱仪高分辨率和小型化的要求,采用平场Schwarzschild望远系统和基于凸面光栅的Offner光谱成像系统匹配的结构形式,设计了一个工作谱段为0.4~2.5μm、相对孔径D/f=1/3、全视场2ω=7.2°的机载高分辨率成像光谱仪光学系统。分析了Schwarzschild望远系统和Offner光谱成像系统的特点和像差校正方法,利用ZEMAX光学设计软件进行了光线追迹和优化设计,给出了系统的调制传递函数曲线(MTF)和点列图,并进行了分析和评价。设计和分析结果表明,机载高分辨率成像光谱仪可以实现0.6m的空间分辨率和全谱段5nm的光谱分辨率,满足机载宽刈幅遥感成像的应用要求,光学系统结构简单紧凑,具有接近衍射极限的优良像质,易于加工和装调实现,具有较高的实际应用价值。     

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

 成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50 lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率<5 nm,MTF在50 lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80%的能量集中在Φ6 μm范围内,波长各视场在特征频率50 lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。     

红外成像光谱测量中Dyson光学系统的研究进展

传统的红外成像光谱仪难以同时实现弱遥感信号下的高信噪比和仪器小型化的要求,基于Dyson同心光学结构的新型遥感红外成像光谱仪具有数值孔径大、信噪比高、结构简单、体积小、重量轻的优点,用于强背景信号下的微弱红外成像光谱信号测量时,可实现传统的红外成像光谱仪难以实现的高信噪比测量。本文概述了Dyson同心光学结构的产生、发展及最新研究动态,重点介绍了Dyson同心光谱仪的原理、研制过程中的难点以及在高性能遥感红外成像光谱测量中的应用,为高性能红外成像光谱仪的研究提供了参考。     

基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计

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Offner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400 km高度,波段范围为0.4~1 μm,焦距为720 mm,F数为5,全视场大小为4.3°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1 024×1 024,像元大小18 μm×18 μm的CCD探测器。通过ZEMAX软件优化和公差分析后,系统在28 lp·mm-1处MTF优于0.62,光谱分辨率优于5 nm,地面分辨率小于10 m,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。     

改进型高分辨率宽波段Schwarzschild成像光谱仪研究

针对Schwarzschild结构在成像光谱仪系统中的应用进行了研究。以Schwarzschild结构的像散分析为基础,获得了该结构的完善消像差条件;之后,对该结构进行了改进,由准直镜和凸面镜,以及凸面镜和聚焦镜分别组成了两个消像散的Schwarzschild结构,从而构成了Schwarzschild成像光谱系统。并给出了这种系统的各个光学参数的计算条件。以一工作波段为340~500 nm的紫外-可见成像光谱系统为例进行了设计,从而对设计理论进行了验证。根据优化理论计算了初始结构最优解并进行光线追迹模拟,成功设计了数值孔径0.125,全视场全波段调制传递函数值在奈奎斯特频率(20 lp·mm-1)下大于0.58的高分辨率成像光谱仪光学系统。这种结构的不同变形分别可以作为Czerny-Turner系统,Ebert-Fastie系统或者Offner系统应用,设计结果也表明这种改进的系统设计理论适用于小型宽波段高分辨率成像光谱仪。     

啁啾脉冲放大系统展宽压缩器各阶色散分析

 通过在光程差中增加相位校正项,重新推导了更为完善的压缩器各阶色散解析式。并对压缩器的各阶色散作了光线追迹的模拟计算,得到与解析式完全一致的计算结果,从而验证了解析式的正确性。基于解析式和光线追迹的方法,更加系统完善地对比较常用的Offner展宽器的各阶色散进行了研究,分析了入射角、光栅与凹面镜距离对其各阶色散及剩余各阶色散的影响。同时,还对非匹配的展宽压缩系统的剩余色散的影响因素进行了讨论。     

Optical system design of the Dyson imaging spectrometer based on the Fery prism

Imaging spectrometer has obtained wide development since rich feature information can be obtained by it; now, we focus on its high spectral resolution and miniaturization. In this paper, we design the Dyson imaging spectrometer system based on Fery prism. The average spectral resolution is 4.3 nm and the structure of the total length is 229 mm. It is a small, high-spectrometer imaging system. The front and rear surface of the traditional prism are plane, but the surfaces of the Fery prism are spherical, which can provide some optical power to realize imaging function and produce the dispersion effect. The Fery prism does not need to be placed in the parallel optical path, which simplifies the collimator lens and the imaging lens and are necessary in the prism spectrometer, making it possible to obtain a compact spectrometer. Full-spectrum transmittance of the prism is up to 94 %. Compared to the convex grating, the energy efficiency is greatly improved, and the free spectral range is wider, and its dispersion will not bring higher-order spectral aliasing problem. The small high spectrometer only includes two components. Its spectral range is from 400 to 1000 nm, covering the near-ultraviolet to near-infrared. The various aberrations of the typical spectrum are corrected. The spectrometer is excellent in performance.     

Study on the wavelength calibration of type III concave grating spectrometry system

We discuss and calibrate the spectrometry system based on concave reflection grating. The working principle, structure and parameters of the spectrometry system are introduced. For the wavelength calibration problem, three methods are put forward and discussed in detail with formulation calculation method, circular iteration method and interpolation. Interpolation is used to calibrate the concave reflection grating spectrometry system and the error is less than 1 nm. Four spectrum images that the system collected are given in this paper. The experimental results indicate that a spectrometry system can be based on concave reflection grating and be calibrated by interpolation.     

平场全息凹面光栅制作结构与使用结构之间误差补偿作用的数值模拟与实验验证

通过对优化计算出的平场全息凹面光栅制作结构(曝光记录结构)和使用结构(光谱仪分光结构)之间各个参数进行联合数值模拟,得出如下结论：在优化设计参数值附近一个较大范围的误差区域内,平场全息凹面光栅的制作结构参数误 差和使用结构参数误差可以相互补偿,最终补偿的结果可以使光谱成像质量达到与原设计结构相当的水平,满足光谱仪器的使用要求。文章给出了数值模拟结果以及与其相符的实验验证结果。此补偿作用有利于降低平场全息凹面光栅制作 中各个参数精度的调节难度,并且可以对实际使用过程中光谱仪器的设计和装调进行理论上的指导。     

面向微型近红外光谱仪的高效扫描光栅微镜设计（英）

近年来,随着微光机电系统(MOEMS) 技术的快速发展,光谱仪朝着微型化、低成本、高性能方向发展。基于MOEMS技术制作的闪耀光栅可集成于扫描微镜,其作为近红外光谱仪的核心部件,可实现单管探测器代替昂贵的阵列式探测器,以降低近红外光谱仪成本与体积。设计了一种高性能扫描光栅微镜,以提高光谱仪的探测灵敏度。扫描微镜表面集成高衍射效率光栅,背面制作电磁驱动线圈。采用光学软件与有限元方法对器件参数进行优化。仿真结果表明:扫描光栅微镜谐振频率为484.38 Hz,最大扭转角度为4.55,在800~1800 nm工作波长范围内,整体动态衍射效率在54%以上且最大值达90%。