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。     

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。     

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.     

基于曲面棱镜的宽视场推帚式高光谱成像仪设计

设计了一种覆盖短波红外谱段的宽视场推帚式高光谱成像系统,可用于空间遥感平台搭载获取高光谱数据立方体,分析地表物质组成及其理化特性。采用曲面棱镜作为色散元件,它集色散和成像功能于一体,通过与Offner中继结构相结合,大大简化了光谱仪光学系统的设计。相比传统色散型光谱成像仪,其结构紧凑、体积小、重量轻,而且能够有效校正棱镜色散带来的谱线弯曲和色畸变的问题。相比同类型的基于Offner中继结构的光栅光谱成像仪,其能量利用率高。分析了曲面棱镜的近轴光学理论和Offner中继结构的成像特点,给出了光谱仪的设计指标和结果,并对其光谱成像质量进行了评价。     

改进Offner型凸面光栅光谱辐射定标光学系统设计

针对数字可调光源输出能量较低的问题,提出一种改进型Offner凸面光栅光谱辐射定标光源光学系统的设计方法。基于光线追迹原理,理论推导Offner型光谱成像结构狭缝和像散的关系,利用双柱面透镜对Offner型光谱成像系统大狭缝下的残余像散进行补偿。使用所提方法设计了光谱范围为500～800 nm,狭缝长度为0.4 mm的传统Offner光谱成像系统和狭缝长度为8 mm改进型Offner光谱成像系统。结果表明:改进型Offner光谱成像系统具有良好的成像质量,全视场点列图方均根(RMS)半径小于8.1μm;系统沿Y方向RMS半径小于6.7μm,在一个像元尺寸内;谱线弯曲为单像元尺寸6.2%、色畸变为单像元尺寸5.8%,消除了谱线重叠和谱线偏移现象。设计方法对提高遥感仪器的光谱辐射定标精度具有一定的研究意义和工程价值。     

宽视场航空高光谱成像仪光学系统设计

宽视场大相对孔径航空高光谱成像仪已成为航空海洋水色遥感等领域的迫切需求,根据宽视场和大相对孔径的研究目标,采用离轴两镜消像散望远镜和改进型Offner光谱仪匹配的结构型式,设计了一个视场40°、相对孔径1/2.2、工作波段0.4~1.0μm的航空高光谱成像仪光学系统,在传统Offner光谱仪中插入同心弯月透镜来提高Offner光谱仪的相对孔径和成像质量.运用光学设计软件ZEMAX对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结构进行了分析.结果表明:光学系统各个波长的光学传递函数在奈奎斯特频率28lp/mm处均达到0.67以上,谱线弯曲和谱带弯曲均小于6.5%像元,便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且体积小、重量轻,适合航空遥感应用.     

高光谱分辨率紫外Offner成像光谱仪系统设计

紫外成像光谱仪是遥感探测仪器的重要组成部分之一。在机载和星载领域,遥感平台正逐步要求光谱仪在实现高分辨率的同时,其设备趋于轻量化和小型化。针对紫外成像光谱仪高光谱分辨率、轻量化、小型化等特点,研究了基于Offner结构的紫外成像光谱系统,设计了一种工作波段为250~400nm、狭缝长40mm、光谱分辨率为0.3nm的高分辨率紫外成像光谱仪,并对设计结果进行了分析与评价。结果表明,这种紫外成像光谱仪在38.5lp/mm处调制传递函数达到0.76以上,实现了接近衍射极限的优良成像质量;谱线弯曲和色畸变在像元尺寸的10%以内。另外,该结构在原Offner结构的基础上大大缩小了系统体积,实现了紫外遥感仪器小型化、轻量化的目的,且易于加工和装调,满足设计指标要求,适合机载和星载遥感应用。     

消像散的自由曲面棱镜光谱仪光学系统设计

本文根据像差理论,开发了一种计算次镜外反射的Offner型自由曲面棱镜光谱仪初始结构的算法。通过光线追迹获得光线在次镜外反射Offner型光谱仪各光学表面传播的公式,该公式可以确定光学元件的结构参数。应用轴外细光束像散理论分析系统产生的像散,并设定合理阈值作为结构算法的判断依据。在Matlab中迭代优化出符合设计要求的初始结构,使用Zemax软件对获得的初始结构进行优化。为验证算法效果,本文设计了光谱范围为380～780 nm,数值孔径为0.15,光谱分辨率为6 nm的自由曲面棱镜光谱仪的初始结构。在Zemax中完成优化后系统可达到设计指标且谱线弯曲和色畸变均优于0.1 pixels。设计结果表明采用本文算法可以快速计算出符合要求的初始结构,大大简化了后续优化的复杂程度。     

一种Offner型小型短波红外成像光谱仪

通过对Offner分光光学系统分析,给出了快速计算初始结构参数公式,根据算得的初始结构参数优化出一套适用于短波红外(1 000～2 500 nm)的分光光学系统,设计的光学系统相对孔径大(F/#2.2)、光谱分辨率高(优于10 nm)和入射狭缝长(12 mm),在整个波长和视场范围内调制传递函数MTF均大于0.5。完成的成像光谱仪整机体积小,重量轻(小于5 kg),仪器测试结果表明,全光谱范围内光谱线性好,光谱标定后波长精度优于4 nm, 通过对不同波段分辨率测试,全波长范围内光谱分辨率与设计相符,动态成像实验表明, 光谱图像清晰并且光谱数据质量佳。     

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.     

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。     

机载大视场高光谱成像系统设计

为适应机载高光谱成像系统的发展需要,设计了一种机载大视场高光谱成像系统。前置望远系统为大视场宽谱段透射式系统,高光谱成像仪为基于Offner次镜的改正型Féry棱镜中继系统。系统设计过程中两次使用Zemax多重组态设计;尝试将Offner次镜的改正型Féry棱镜设计为高光谱成像仪;将Féry棱镜高光谱成像仪集成为高光谱成像系统进行一体化系统分析。该设计在结构和设计方法上均有改进。设计的大视场可见近红外高光谱成像系统视场可达28°,机载载荷高度为5km时,全系统的刈幅宽度为2.493km,地面分辨率可达0.6m。左半视场和右半视场全谱段调制传递函数均大于0.6,最大谱线弯曲和谱带弯曲不到0.2pixel,成像质量接近衍射极限。     

消谱线弯曲棱镜-光栅型成像光谱仪设计

针对平面光栅和棱镜成像光谱仪难以校正谱线弯曲的问题,提出了利用棱镜-光栅(P-G)组合分光元件并结合系统物镜畸变校正谱线弯曲的方法。分别计算了棱镜和光栅产生的谱线弯曲以及P-G组合元件产生的光谱弯曲,分析了棱镜和光栅的谱线弯曲特性,并基于此设计了P-G组合分光元件和消谱线弯曲成像光谱仪结构。通过优化设计得到光学系统的光谱分辨率高于2nm,点列图均方根(RMS)半径小于8μm,系统谱线弯曲和光谱弯曲小于2μm。证明了P-G组合元件结合系统物镜畸变可补偿校正整个工作波段的谱线弯曲和光谱弯曲。最后的设计结果表明,基于P-G分光元件的成像光谱仪系统在满足像质要求的前提下,谱线弯曲小于1/4像元尺寸,满足使用要求。     

棱镜-光栅组合色散型超光谱成像系统的优化设计

大视场、超光谱分辨率、高空间分辨是光谱成像仪的发展方向,谱线弯曲和色畸变的抑制则是二维谱图信息准确提取的前提。提出了一种棱镜-光栅光谱成像结构形式,并采用矢量方法构建了棱镜-光栅组合色散元件的数学模型,优化了分光模块的结构参数,基于此组合色散元件设计了一个具有近直视光路结构的超光谱成像仪光学系统。该系统光谱范围为400~800nm,入射狭缝长为14mm,F数为2.4,其光谱分辨率达0.5nm,调制传递函数(MTF)在探测器奈奎斯特频率68lp/mm处均大于0.7,谱线弯曲和色畸变均小于1μm,低于单个像素的13.5%。     

星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学设计

研究星载宽视场差分吸收成像光谱仪已成为空间大气遥感领域的迫切需求,根据宽覆盖轻小型星载大气痕量气体差分吸收成像光谱仪的研究目标,采用偏轴两镜系统和中继系统匹配的结构型式设计出无遮拦宽视场望远系统,将宽视场望远系统和Offner光谱成像系统匹配,设计了一个视场60°×0.24°、相对孔径1/3、工作波段280~450 nm的星载宽视场差分吸收成像光谱仪光学系统,利用光学设计软件Zemax-EE进行了光线追迹和优化设计,光谱成像系统不同波长的点列图半径的均方根(RMS)值均小于5 mm,光谱分辨率0.692 nm,满足不大于1 nm的指标要求,差分吸收成像光谱仪全系统在空间方向各波长在特征频率处的光学传递函数均达到0.67以上,完全满足成像质量要求,适合空间大气遥感应用。     

成像光谱仪同心光学系统的研究

介绍了Offner凸面光栅成像光谱仪和Dyson凹面光栅成像光谱仪两种常用的同心光学系统。Offner凸面光栅成像光谱仪采用全反射的形式,使用光谱范围很宽,加工、装调较为简单,受外界环境影响较小;Dyson凹面光栅成像光谱仪在体积和尺寸上的优势较为明显,易于实现整体结构的小型化。给出了这两种成像光谱仪的具体设计实例,两种光学系统的成像质量均能达到较为理想的结果,其结构畸变均＜0005%,在使用光谱范围内,光谱分辨率均能到达3 nm,具有高质量的光学传递函数。最后,给出了配合成像光谱仪使用的多种前置光学系统的结构形式,并讨论了消除系统杂散光的方法及消除光谱级次重叠的方法。     

基于谱线匹配技术的星载成像光谱仪星上光谱定标方法研究

介绍了一种基于谱线匹配技术的星上光谱定标方法,该定标方法选取大气吸收线作为匹配谱线,采用相关系数法作为匹配结果判定条件标进行光谱定标。为模拟星上定标过程,将谱线匹配技术应用于振动试验后的成像光谱仪,振动试验可以模拟成像光谱仪在升空过程中受到的振动。星上光谱定标包括成像光谱仪分辨率的确定、面阵探测器光谱维和空间维像元中心波长的定标。由定标结果可知,振动试验后光谱仪分辨率为0.40 nm,与振动试验前相比没有发生变化;光谱维像元中心波长向长波偏移0.08 nm(小于一个像元);空间维像元光谱弯曲(光谱smile) 向短波方向弯曲,最大弯曲值为0.96 nm,近似于振动试验前光谱弯曲值。由此验证了谱线匹配技术进行星上光谱定标的可行性。     

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。     

空心阴极元素灯光谱的空间分布测量方法

提出利用成像光谱仪研究空心阴极元素灯光谱空间分布的检测方法。自制了基于Offner成像系统的推扫式凸面光栅成像光谱仪,覆盖波长范围400~1 000 nm,视场角22°,光谱分辨率2~3 nm;利用该光谱仪第一次得到得到Hg元素灯光谱的空间分布,给出了不同波长下的空间图像和不同空间位置的光谱分布信息,具有较高的空间分辨率和光谱分辨率;并同时获取了不同工作电流条件下的元素灯高光谱数据,对比分析了处于不同工作状态下光谱空间分布的差异。这为空心阴极元素灯光谱的空间分布等性能研究提供了一个很好的工具,相关方法也可以用来研究其他类型的光源。     

空间调制干涉型和衍射光栅型成像光谱仪信噪比性能的分析比较

以Sagnac空间调制干涉型成像光谱仪和Offner凸面光栅衍射型成像光谱仪为例,着重分析和比较这两类成像光谱仪的信噪比性能。在相同观测条件下,通过推导这两类成像光谱仪所得到的图像像元的光谱辐亮度,指出空间调制干涉型成像光谱仪并不具有高通量和多路复用优势,信噪比也低于衍射光栅成像光谱仪。而且随着光谱谱段数的增加,即光谱分辨率的提高,衍射光栅成像光谱仪的信噪比优势更明显。