星载光栅光谱仪消偏器性能研究

星载光栅光谱仪中的光栅有着强烈的偏振响应。为了保证光谱仪测定的光谱分布的准确性,必须在光辐射进入仪器光谱测量部分之前就消去光辐射的偏振。应用矩阵光学推导出了这种紫外石英消偏器的残余偏振度,并得到影响其消偏性能的几个因素。建立了一套测试系统,在300-360nm波段上对其消偏性能进行了研究,得出入射光经过紫外石英消偏器后的残余偏振度变化范围1.2%-5.7%。与理论推导有较好的一致性。并按照国际通用不确定度评估规范,对测量结果进行不确定度分析和评估,组合不确定度小于1.8%。     

星载光栅色散型光谱仪消偏器的设计与分析

为了保证成像测量结果的相对准确性,需要消除光谱仪中光学器件的偏振响应,加入消偏器是一种常用的消偏方法。由于成像光谱仪探测性能的要求,不仅需要消偏器在光谱仪的响应波段内具有良好的消偏效果,还要求消偏器应尽可能小地影响光谱仪的成像质量;对大气遥感探测星载双楔角临边成像光谱仪中的消偏器进行研究,通过积分的方式对消偏器的楔角进行计算分析,通过MATLAB的优化仿真确定了影响消偏器性能的参数,并对其进行了相关的误差分析。     

与入射线偏振光振动方向无关的低偏振度消偏器

消偏器是光纤传感器、光放大器等偏振敏感性光学系统中的关键器件,用于减小输入光的偏振度(DOP).设计了一种与入射线偏振光振动方向无关的低偏振度消偏器,该器件中利用人为的偏振相关延迟代替了保偏光纤的双折射,并在偏振相关型消偏器前增加了一个1/4波片,从而对任意方向振动的线偏振光具有相同的消偏能力,结构紧凑.对消偏性能随波片阶数、入射光中心波长和振动方向的变化作了数值计算.实验中采用半峰全宽为0.13 nm的光源,入射线偏振光在任意方向振动时,输出光偏振度小于2.6%,消偏器的插入损耗为0.6 dB,损耗起伏小于0.11 dB.实验和数值计算结果表明,该消偏器具有低偏振度、低插入损耗和适合于宽光谱应用的优点.     

与人射线偏振光振动方向无关的低偏振度消偏器

消偏器是光纤传感器、光放大器等偏振敏感性光学系统中的关键器件,用于减小输入光的偏振度(DOP)。设计了一种与入射线偏振光振动方向无关的低偏振度消偏器,该器件中利用人为的偏振相关延迟代替了保偏光纤的双折射,并在偏振相关型消偏器前增加了一个1/4波片,从而对任意方向振动的线偏振光具有相同的消偏能力,结构紧凑。对消偏性能随波片阶数、入射光中心波长和振动方向的变化作了数值计算。实验中采用半峰全宽为0．13 nm的光源,入射线偏振光在任意方向振动时,输出光偏振度小于2．6%,消偏器的插入损耗为0．6 dB,损耗起伏小于0．11 dB。实验和数值计算结果表明,该消偏器具有低偏振度、低插入损耗和适合于宽光谱应用的优点。     

大视场宽谱段高分辨率分波段机载紫外-可见光成像光谱仪设计

紫外-可见光(200～500 nm)成像光谱仪是空间遥感的重要组成部分,本文基于机载紫外-可见成像光谱仪的特殊性和实际应用要求,提出了一种采用面阵CCD的摆扫式成像光谱仪,这样既克服了传统线阵CCD摆扫式成像光谱仪空间分辨率低的缺点,同时又弥补了推扫式成像光谱仪视场范围有限的缺点,能够满足大视场、宽谱段、高分辨率成像光谱仪的应用要求;此外,考虑400～500 nm波段中200～250 nm波段二级光谱的影响和<290 nm的短波区和>310 nm的长波区两个波段相差3个数量级的辐射波动,采用了分波段、分系统的方式独立进行消杂光光谱成像。在系统结构设计方面,本着高性能、低成本的设计理念,选用了两镜同心系统作为望远系统,Czerny-Turner平面光栅结构作为成像光谱仪系统的光学设计方案;设计了一种不使用任何辅助光学元件,全部采用球面镜结构的成像光谱仪。整个系统结构简单、紧凑,性能优良, 可行性好。全谱段、全视场调制传递函数值在0.6以上。     

石英消偏器紫外-真空紫外消偏特性研究

在Lyot消偏器的基础上 ,设计研制了由两块楔角相同的楔形石英晶体构成的石英消偏器 ,用于降低光谱仪偏振响应度。根据矩阵光学理论 ,数值模拟计算了紫外 真空紫外波段石英消偏器消偏特性随其中心厚度以及入射光偏振状态、光谱带宽等的变化规律。利用氟化锂偏振器作为起偏器和检偏器 ,在 1mSeya Namioka单色仪上实验研究了石英消偏器在紫外 真空紫外波段的消偏特性 ,经过石英消偏器后 ,出射光的偏振度小于 1% ,可满足石英消偏器用于光谱辐射测量的工作要求。     

一种成像光谱仪前置物镜的设计

未来的成像光谱仪要求其光学系统在宽视场和宽波段范围内有高的空间分辨率和光谱分辨率。提出了一种无遮栏三反射镜系统的设计方法。所设计的三反射镜消像散系统包括两个非球面凹反射镜和一个凸球面反射镜。系统的视场角可达到5°,并实现了平场、远心光路的设计,可满足大视场高分辨成像光谱仪前置物镜的使用要求。     

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。     

光谱仪光源双光束准直的自由曲面透镜

为了使光谱仪在分辨率基本不变的同时增宽工作光谱范围,利用非成像原理设计了自由曲面透镜,将光源发出的宽工作谱段的光束准直为两束波长不同、方向不同的平行光,实现探测器上光谱的折叠分布.首先,根据两束入射光线经自由曲面折射前、后的矢量关系,建立自由曲面上点坐标的一阶偏微分方程组;然后,采用Runge-Kutta法对偏微分方程组进行数值差分求解,得到自由曲面离散采样点,进而构建得到自由曲面透镜,将自有曲面透镜导入ZEMAX软件中对光源的双光束准直进行模拟,在Tracepro软件中进行光线追迹分析其照度分布;最后,将自由曲面透镜应用于近红外光谱仪中,将波段为800~2 400 nm的光源准直为两束波长分别为800~1 600 nm和1600~2 400 nm的方向不同的平行光束,经单个光栅色散后由成像透镜组成像在探测器表面,形成两组相互平行且首尾相连的折叠光谱,光谱仪的分辨率优于10 nm.结果表明,采用该自由曲面透镜可以同时实现光谱仪的高分辨率和宽工作光谱范围,且使光谱仪的结构更加紧凑.     

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。     

非共面Offner结构高分辨率成像光谱仪设计

Offner成像光谱仪在大色散需求下成像质量不足并且易发生光线遮挡,为此设计了一种基于罗兰圆条件的非共面Offner结构光谱仪。分析并推导出了一种非共面Offner结构成像光谱仪的消除像散及彗差同时解决光线遮挡的设计方法。使用该方法设计出光谱范围为350~1000 nm,色散宽度为12.6 mm的成像光谱仪。在奈奎斯特频率(30 lp/mm)下其调制传递函数在全视场、全光谱范围优于0.78,点列图均方根半径优于4μm,同时,系统的谱线弯曲及谱带弯曲均小于1%像元尺寸。最后,将非共面Offner结构成像光谱仪与传统Offner结构进行对比,结果表明,在高光谱分辨率需求下,当入射狭缝较小时,非共面Offner结构光谱仪具有更好的成像质量,并且在谱线弯曲及谱带弯曲的控制上具有优势,可用于小体积高光谱分辨率成像光谱仪器设计。     

成像光谱仪的光学系统设计

成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器 ,以获取地球目标的详细光谱景像为目的 ,如陆地、海洋的辐射信息及大气等方面的监测等。成像光谱仪的特点是成像光谱段多、谱段不连续、位置重叠等 ,并同时存在有图像分辨率和光谱分辨率的问题 ,其光学系统是非常复杂的 ,且所要求的光谱分辨率比图像分辨率要高。详细介绍了成像光谱仪的光学系统原理、光学系统设计方法及组成部分。根据现有的技术条件 ,给出了合理的结构和设计结果 ,设计思想新颖适用     

宽谱段改进型Wadsworth光栅型成像光谱仪光学设计

针对传统的Wadsworth光学系统无法应用于宽谱段高分辨率成像光谱仪的情况,给出了一种改进的光学系统方案。通过在Wadsworth系统中加入柱面镜的方法,改变了子午和弧矢方向成像聚焦距离。在对像散和光程分析的基础上,计算获得了改进型Wadsworth成像光谱仪光学系统的最优成像条件,即柱面镜的最优放置位置、最优倾斜角和最优楔角。以一个工作波段为400~800nm的改进型光学系统设计实例,对设计理论进行了验证。设计结果表明系统具备良好的光学成像质量,探测器在奈奎斯特频率(20lp/mm)下全视场全波段调制传递函数值达到0.57以上,光谱分辨率达到1.6nm,实现了对Wadsworth系统的有效改进。     

一种用于大气超光谱探测的异型双H-V消偏器

高精度的大气探测光谱仪应用十分广泛,但是由于太阳发出的自然光与大气作用后所产生的(部分)偏振光会影响设备的探测精度,所以该类光谱仪通常需要去除入射光的偏振影响。论文针对大气超光谱成像探测设备的消偏需求,提出了一种新型的双H-V(horizontal-vertical)消偏器。由于晶体的双折射结构在光学原理上可以产生消偏效应,所以消偏器材料通常为双折射晶体,但是该结构同时又会产生双像,从而降低光谱仪的成像质量。针对此问题,结合该大气超光谱探测设备中空间维像元合并的特点提出了一种异型双H-V消偏器。它不同于传统双H-V消偏器中两子H-V楔角相等的结构,所提出的异型双H-V消偏器两个子H-V楔角不同,从而使其在光谱维及空间维对应不同的双像距,在满足退偏度要求的同时保证了成像质量,很好的解决了高消偏度与高成像质量之间的矛盾。论文详细阐述了消偏器的设计方案,并针对消偏效果与成像质量进行了分析,消偏器的退偏率优于98.8%,并且在空间方向双像所占像元数仅为合并像元的8.7%。     

晶体光轴取向和厚度对双光楔消偏器性能的影响EI北大核心CSCD

在消偏器工作原理的基础上,利用米勒矩阵和斯托克斯矢量,建立消偏器结构参数与光学系统偏振敏感度的一般关系。借助数值分析,当两楔形晶体光轴夹角为90°时,消偏器具有优良的消偏性能,并且光轴取向下时调整晶体厚度可进一步减小光学系统偏振敏感度。以光栅成像光谱仪为例设计消偏器,给出其性能评价。     

轻小型可见/近红外实时成像光谱仪的光学系统设计

为了解决传统成像光谱仪难以实现光谱和图像信息实时获取的问题,设计一款可见/近红外宽谱段视频型成像光谱仪系统。系统利用多狭缝分光成像技术,将目标光谱图像进行区域划分,代替传统的推帚型成像光谱仪,实现光谱维的大视场成像。采用低色散光学玻璃和双胶合透镜实现宽谱段光学系统的像差校正。前置望远物镜系统采用复杂的双高斯结构,实现小畸变设计和不同视场狭缝处能量的均匀分布。为了同时获取高空间分辨率的实时视频监控和高光谱分辨率,利用分光棱镜将前置望远物镜的像分为两路,一路直接由高分辨率全色相机接收,另一路进入分光系统由灰度相机接收。采用三块棱镜作为分光元件,通过优化材料组合和实际光线控制,获得了萤石-熔石英-萤石理想棱镜组合,实现了光路同轴性和良好色散线性度。设计结果为光学系统的光谱范围为400~1000 nm,F数为3.5,前置望远物镜奈奎斯特频率处设计调制传递函数(MTF)大于0.5,畸变小于0.1%,像面照度均匀性高于98%。整个系统奈奎斯特频率处设计MTF大于0.44,平均光谱分辨率为10 nm。     

晶体光轴取向和厚度对双光楔消偏器性能的影响

在消偏器工作原理的基础上,利用米勒矩阵和斯托克斯矢量,建立消偏器结构参数与光学系统偏振敏感度的一般关系。借助数值分析,当两楔形晶体光轴夹角为90°时,消偏器具有优良的消偏性能,并且光轴取向下时调整晶体厚度可进一步减小光学系统偏振敏感度。以光栅成像光谱仪为例设计消偏器,给出其性能评价。     

共轴PGP型光谱仪的玻璃选择与优化

针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪装调难度大的问题,通过校正PGP成像光谱仪色差的方法保证探测器像面与光轴垂直,并设计了一款宽波段复消色差的PGP系统。从宽波段复消色差理论出发,计算了三种玻璃材料组合理论色差的最小值,为光学设计的复消色差提供了理论支持。利用光学设计软件优化得到的初始结构,结果表明,PGP系统的二级光谱得到了很好的校正,且探测器的CCD无需倾斜,更方便后期装调。覆盖谱宽为400~1000 nm,视场为9.2 mm,空间分辨率优于10μm,光谱分辨率优于2.8 nm,光学传递函数大于0.7,接近衍射极限,满足成像要求。     

宽谱段共光轴线色散成像光谱仪三棱镜分光系统设计

针对棱镜型成像光谱仪结构复杂、具有严重的色散不均匀性,进行了共光轴线色散棱镜式宽谱段成像光谱仪研究。利用棱镜的色散公式建立了对称型三棱镜组合分光结构的数学模型,获得了满足直视结构的棱镜组合,并在此基础上分析影响棱镜组色散线性因素：棱镜材料的折射率和色散率对棱镜组线色散影响比较大,入射角度对其影响比较小,并提出改善色散线性的方法,获得了满足线色散要求的棱镜组合的折射率条件,从而为共光轴结构的线色散棱镜式成像光谱仪初始结构的选择提供了重要理论依据。在工作波段为400~1 000 nm、中心波长偏向角为0°、最大色散角为0.6°、光谱仪系统数值孔径NA为0.18、光谱分辨率为5 nm条件下,实现共光轴三棱镜分光系统的线色散设计,最后利用ZEMAX进行了模拟分析表明,理论计算结果与实际仿真结果基本相符。     

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。