微型拉曼光谱仪杂散光分析及抑制方法的改进

作为一个微弱光信号探测系统,拉曼光谱仪中的杂散光分析可以为其设计提供较大帮助。针对微型拉曼光谱仪系统,结合光学设计和三维建模优化了其光机结构,系统分辨率为0.7 nm,体积为110 mm×95 mm,属便携式微型拉曼光谱仪,并基于杂散光分析软件TracePro对系统进行了光线追迹和仿真分析。首先通过优化孔径光阑初步抑制了入射处带来的杂散光,然后针对系统内部的主要杂散光(光栅零级衍射光)抑制装置即光学陷阱进行了详细分析和设计改进,改进后的光学陷阱较改进前更有效地利用了光谱仪内部空间,且分析结果表明改进后的光学陷阱将杂散光线数量减少了50%,杂散光归一化辐照度强度从10-5降低至10-7,在微型化的同时可有效抑制微型拉曼光谱仪系统中的杂散光,将更加有利于微弱信号的探测,为微型拉曼光谱仪的设计和装调提供了参考。     

平面光栅杂散光测试仪模型设计及消杂光技术研究

杂散光是平面光栅的重要性能指标,光栅杂散光的测量一直是光栅研制领域的难题。为实现仪器自身杂光低于10-8量级,以满足对平面光栅杂散光10-7量级的精确测量要求,基于标量衍射理论和经典Fresnel-Kirchhoff衍射理论,对光谱仪器中的光栅杂散光进行了理论分析,设计了平行光照射条件下光栅杂散光测试仪的光机模型。利用杂散光分析软件ASAP建立紫外单色光入射下光栅杂散光测试仪的散射模型并对其进行仿真计算,分析仪器杂光的主要来源及散射路径,据此提出了用于降低仪器散射光和光栅多次衍射光的挡光环、叶片、光阑、光学陷阱等四种杂光抑制结构。最后,采用ASAP软件对增加抑制结构前后的仪器杂光相对强度进行了对照分析。仿真及分析结果表明,仪器杂光在测试波长±100 nm范围内的最大值由采用杂光抑制结构前的10-6量级以上降低至10-8量级以下,已满足光栅杂散光测试仪的设计需求,即可实现刻线密度为300～3 600 gr·mm-1的光栅杂散光10-7量级精确测量。该研究方法及结果将为平面光栅杂散光测试仪研制提供理论依据。     

反射式内掩日冕仪的光学设计与杂散光分析

日冕仪的工作特点决定了其对杂散光抑制要求极其严格。根据反射式日冕仪的工作特点,通过分析其光学特性以及其抑制系统杂散光的基本原理,设计了反射式内掩日冕仪系统。其中,视场0.67°、口径47mm、焦距768mm、系统总长1200mm,系统在30lp/mm处的MTF值大于0.6,弥散斑半径小于2.5um,成像质量达到衍射极限。通过分析系统杂散光特点,建立了消杂散光结构,使得系统的主要杂散光源被全部抑制。本系统可做到大约10-6-10-8B⊙的杂散光抑制水平,可以实现对日冕的清晰成像观测。     

一种双波段成像系统的红外通道杂散光分析

为全面分析杂散光对红外系统成像质量的影响,设计了可见波段0.4 μm~0.7 μm、红外波段3 μm~5 μm,视场角均为2.27°×2.27°的共孔径成像光学系统。分析了杂散光来源,分别研究了带内与带外杂散光对其红外通道成像质量的影响。对于带内杂散光,设计了消杂光结构,采用FRED软件模拟分析了带内杂光抑制能力,结果表明:带内杂散光得到较好抑制,其鬼像影响可忽略不计,太阳杂散光抑制水平PST达到设定的10-8阈值量级。对于带外杂散光,主要研究了1.064 μm和2.6 μm两个波长带外激光对红外成像系统的影响,并利用有限元仿真计算,结果表明:系统反射镜温升达到703 K时,向外发出较强带内红外辐射,到达像面的辐射功率为0.195 mW,可对红外成像面造成强烈噪声干扰。     

离轴反射式空间天文望远系统设计及其杂散光抑制研究

为满足天文望远系统大F数、长焦距、轻小型化、高成像质量、高消杂光比等要求,采用库克离轴三反消像散(TMA)光学结构形式,设计了参数为焦距f′=24m,F数16,视场1.6°×1°的离轴望远系统。设计了系统的外遮光罩及其挡光环,并对系统内部的杂光陷阱结构进行优化。利用杂光分析软件对系统的点源透射率(PST)进行仿真计算,结合正向追迹和反向追迹两种方法寻找关键面与关键路径,反复迭代优化改进相应光机结构。设计及仿真结果表明,系统各视场光学传递函数均接近衍射极限,视场外规避角40°时,PST小于10-11,满足空间天文望远系统对成像质量和杂光抑制的要求。     

日冕仪系统中三种杂散光的判定与实验研究

针对日冕仪中对杂散光的抑制要求,分析了日冕仪系统中的三种杂散光,包括日冕仪物镜二次反射产生的鬼像点、日冕仪物镜散射点、以及日冕仪孔径光阑衍射光。利用光学建模软件对日冕仪系统进行仿真和分析,发现这三种杂散光的成像位置十分接近且不易区分,并会对系统的检测过程和检测结果产生干扰。根据仿真结果,给出了这三种杂散光的判定与抑制方法,并利用一台视场为±1.08 R_⊙～±2.5 R_⊙(R_⊙表示太阳半径),工作波段为530.3～637.4 nm,通光口径为220 mm,系统总长为4 321 mm的内掩式日冕仪进行了理论验证和实验对比,验证了判定方法的可行性。同时设计了掩体和鬼像遮拦结构对杂散光进行抑制,增加了日冕仪系统杂散光抑制的选择方案,提升了日冕仪杂散光检测的准确率。     

二维光栅与周期性缝隙阵列组合薄膜结构的杂散光抑制

传统方格型二维光栅与周期性缝隙阵列的组合薄膜结构具有雷达和光学波段双带通的电磁特性. 但由于其杂散光能量集中分布而严重制约它在高精度探测以及成像领域中的应用. 本文提出了一种全新的组合薄膜结构, 即由满足一定约束条件的圆孔型二维光栅和十字缝隙阵列构成. 基于Fraunhofer衍射理论建立组合薄膜结构标量衍射模型, 通过对比两种组合薄膜结构的衍射光分布, 理论分析与实验测试均表明: 圆孔型光栅与十字缝隙阵列组合薄膜结构不仅能够提高其光学透过率, 而且还使其杂散光分布均匀, 降低了其杂散光总比率, 从而有效抑制杂散光, 进一步增强了二维光栅与周期性缝隙阵列组合薄膜结构在实际光学系统中的可靠性. 关键词： 二维光栅 组合薄膜结构 衍射光强 杂散光     

中阶梯光栅衍射效率及杂散光检测系统设计

中阶梯光栅具有刻线密度低、闪耀角度大、衍射级次高、光谱范围宽、色散率大、光谱分辨率高等一系列突出优点,近年来由于其优良的性能而倍受青睐。作为评价中阶梯光栅质量的衍射效率和杂散光系数直接体现了中阶梯光栅的光学性能,能够准确地进行中阶梯光栅衍射效率和杂散光系数的测量是光栅应用的前提。鉴于此,基于中阶梯光栅的衍射理论创造性地提出用一套系统对中阶梯光栅的衍射效率和杂散光系数进行检测,该系统引入双轨结构,具有结构简单新颖、一机多能等优点。通过理论分析和计算,确定了检测系统的结构参数,设计结果表明： 该检测系统可用于测量190～1 100 nm光谱范围内的中阶梯光栅绝对衍射效率,同时也可用于测量200～800 nm光谱范围内的中阶梯光栅杂散光系数,实现了将衍射效率测量和杂散光测量集于一体的设计思想。     

干涉成像光谱仪的杂散光分析

杂散光对光学系统的成像质量有严重的影响。从杂散光的定义出发,分析杂散光的来源,建立评价杂散光对系统影响的主要指标和点源透过率、杂散辐射比的数学模型,用TracePro对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的杂散光进行分析和计算,通过在系统中增加遮光光栏能有效抑制系统中的杂散光,有效降低杂散辐射比。采用分析结果对Fabry-Perot干涉成像光谱仪的光机系统进行消除杂散光设计。     

空间外差拉曼光谱仪成像镜头光机热集成分析

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型;仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化;将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。     

激光准直系统中的杂散光分析与抑制

针对不同光学系统中存在的杂散光所造成的假信号或信号饱和影响,本文结合像面照度分析和消光环抑制的方法,对准直系统进行分析,找到产生杂散光的主要原因,设计了3种不同结构的消光环以消除杂散光。仿真实验结果确定了最优形式的消光环结构,边缘杂散光抑制最大下限值为0.38%,平均抑制值5.68×10~(-4)%;以此模型为基础,进行了杂散光抑制实验。实验结果表明,带有消光环结构的准直系统可以有效抑制杂散光,保证了后续光学系统的功能实现,对其他杂散光抑制系统具有借鉴作用。     

折/衍混合LWIR凝视成像系统的杂散光分析

本文对一折/衍混合长波红外(LWIR)凝视成像系统进行了杂散光分析,在此LWIR系统中,含有一个用金刚石车削技术制作的衍射光学元件(DOE)。本文中,对DOE的不同衍射级次、光学表面的多次反射、镜筒内壁的反射等主要杂散光源利用LightTools软件进行了分析,对6种二次反射的模拟结果表明,对归一化的光源,理想光路的像面辐照度为100 W/mm2,每种二次反射会给像面带来0.01W/mm2的辐照度;对于反射率为10％的镜筒内壁,带来的像面辐照为0.01W/mm2。并利用该LWIR凝视成像光学系统进行了相关实验,实验结果证明了上述分析的正确性,有利于对LWIR凝视成像系统光学性能的进一步理解和杂散光的抑制。     

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。     

星载成像光谱仪杂散光检测技术

介绍了星载成像光谱仪杂散光检测技术在国内外的发展状况,阐述了成像光谱仪杂散光的定义、来源和危害,分析了杂散光检测的必要性。通过截止滤光片法、光谱法、谱杂散光系数法、级数透过率法、氧气吸收光谱及参数拟合法、卷积计算法和矩阵修正法等7种光谱仪器杂散光检测方法优缺点的对比,给出了星载成像光谱仪杂散光检测技术的具体要求和发展趋势,认为单一的检测技术很难满足工程研制的实际需要,针对各研制阶段的组合检测技术将是星载成像光谱仪杂光检测的发展方向。     

抑制眼内杂散光提高视网膜成像质量方法研究

利用液晶空间光调制器和夏克-哈特曼探测器为核心器件搭建了一套液晶自适应光学(AO)视网膜成像系统。通过计算哈特曼光斑图和视网膜图像的调制传递函数(MTF)定量分析了眼内杂散光对视网膜成像质量的影响,结果表明哈特曼光斑图的MTF优于视网膜图像的MTF,说明眼内杂散光降低了视网膜的成像质量。根据眼内散射光偏振状态改变的特点,系统采用偏振光照明,抑制眼内散射光;利用补偿镜和位于眼前1m位置处的视标,使照明光准确聚焦在视网膜血管层上,抑制视网膜多层组织反射杂光。通过对比实验,证明以上方法在一定程度上抑制了眼内杂散光对视网膜成像质量的影响。最后对4名志愿者进行了视网膜血管自适应成像实验,均获得了清晰的眼底视网膜血管图像。     

共形光学系统瞬时视场外杂散光的分析及处理

针对空间成像光学系统的像质容易受到瞬时视场外杂散辐射的影响,利用杂散光分析软件建立一个共形光学系统光学机械结构模型,并对其进行反向光线追迹,从而确定出该系统中对瞬时视场外杂散辐射光的聚集贡献较大的关键表面及视场外杂散辐射光的主要传递路径.采用在系统中加入多级挡光环辅助结构的方式获得了100%的瞬时视场外杂散光屏蔽效果.该设计方案具有简单易行的特点.     

近红外成像光学系统设计

为了明确近红外成像光学系统对杂散光的抑制能力,设计了一个光谱为0.75 m ~1 m,焦距12.002 mm,F/1.8,视场1515的光学系统,其结构为改进型的双高斯结构。实验结果表明:设计的光学系统的各视场光斑在艾瑞斑内,焦移量最大为4.9 m,球差约为1 m,垂轴像差最大为3 m,MTF接近衍射极限。对设计的光学系统进行了杂散光评估和杂散光抑制,得到了杂散光抑制前后的点源透射比。分析结果表明:与未加遮光罩相比,加入遮光罩的光学系统PST值下降了76.6%~87.5%。     

微型平像场近红外光谱仪的消杂散光设计

设计和研制了结构紧凑、杂散光低的微型平像场近红外光谱仪。在分光系统设计中不采用附加杂散光遮挡装置的常规方法,而是在准直物镜前设置一块直径为8．5mm的平面反射镜,通过调节平面反射镜改变入射光束的空间角,使光束全部被准直镜接收,不再产生旁光,从而有效地消除系统内的杂散光,使仪器整体杂散光水平降低了1．13％。另外,该光谱仪选择线阵CCD作为探测器件,不再设置冷却系统也避免了平面光栅带有扫描旋转机构。由于使用CCD作探测器和新的消杂散光设计方法,该光谱仪实现了微型化。     

折/衍混合长波红外凝视成像系统的杂散光分析

对含有一个用金刚石车削技术制作的衍射光学元件(DOE)的折/衍混合长波红外(LWIR)凝视成像系统进行了杂散光分析.利用LightTools软件对DOE的不同衍射级次、光学表面多次反射、镜筒内壁反射等主要杂散光源进行了模拟和分析,对6种二次反射的模拟结果表明,对归一化的光源,理想光路的像面辐照度为100 W/mm2,每种二次反射会给像面带来0.01 W/mm2的辐照度;反射率为10%的镜筒内壁给像面带来的辐照度为0.01 W/mm2.利用该LWIR凝视成像光学系统进行了相关实验,实验结果证明了上述分析的正确性,表明该项分析有利于对LWIR凝视成像系统光学性能的进一步理解和杂散光的抑制.     

小型快速扫描近红外光谱仪的研制

介绍了一种基于Czerny-Turner光路结构并采用谐波电机直接驱动光栅的小型快速近红外光谱仪的设计、仿真及初步测试结果.为了减小多次反射及衍射产生的杂散光,运用Cary理论进行光路布局与设计,使用光学软件TracePro进行了仿真,结果显示改进之后的结构有效抑制了系统的杂散光.为了减小体积并提高扫描光谱速度,采用谐...