微小型快照式傅里叶变换成像光谱仪的建模与分析

为了实时探测运动场景、迅变目标的图像与光谱,提出了一种微小型快照式傅里叶变换成像光谱仪,利用多级微反射镜对微透镜阵列形成的多重像场进行分布式相位调制,实现了干涉图谱信息的实时获取。根据微透镜阵列与多级微反射镜对光场的相位调制特性,建立了多重干涉成像的理论模型,计算表明,不同视场的干涉像点位于探测平面的不同区域,但大视场情况下相邻通道之间的干涉图像单元会发生串扰,并导致复原光谱失真。分析表明,为了抑制相邻干涉成像通道间发生串扰,视场角应控制在微透镜阵列和多级微反射镜的衍射与离焦效应所限定的极限视场角之内。同时,视场角还会引入相位误差,并导致归一化光谱误差随视场角的增大而单调递增。根据归一化光谱误差关系曲面可以对系统的视场角进行合理的设计,从而实现对目标场景中特定区域的有效探测。     

微小型傅里叶变换光谱仪波前像差分析与光谱修正

为了进一步实现傅里叶变换光谱仪的微小型化,在基于多级微反射镜的傅里叶变换光谱仪结构中引入微透镜阵列,利用微透镜阵列对由多级微反射镜调制的各级次的干涉光场单元进行同步收集。光场相位采用空间调制的方式,因此系统的波前像差会导致各级次干涉光场单元的子波前产生不同程度的畸变。建立含有波前像差的光场与多级微反射镜和微透镜阵列相互作用的标量衍射理论模型,计算表明波前像差会导致各级次干涉像点的强度产生不同程度的衰减,同时在复原光谱中引入低频噪声。通过分析发现,干涉像点强度的衰减是各干涉光场单元子波前像差的斯特列尔比调制的结果,且复原光谱中的低频噪声主要源于斯特列尔比的傅里叶谱。根据波前像差对干涉图像的调制特点,提出了一种利用波前像差的斯特列尔比对干涉光强进行修正的方法,计算表明该方法可以使复原光谱的失真得到有效改善。     

基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法.仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息.某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上.平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息.根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°.利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原.针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法.为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间.对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作.复原光谱分辨率为194 cm-1,优于设计指标(250 cm-1).     

基于多级微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪:原理及数据处理（英文）

介绍了一种基于多级阶梯微反射镜的时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪的原理及数据处理方法。仪器利用一块多级阶梯微反射镜取代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜以实现静态干涉,通过摆镜扫描使目标物体成像在不同的子阶梯反射面上从而获得目标物体不同光程差的干涉信息。某一时刻,目标物体经摆镜与前置成像系统后在平面镜与多级阶梯微反射镜上形成两个一次像点,两个一次像点被平面镜和多级阶梯微反射镜反射之后经后置成像系统最终成像在探测器焦平面上。平面镜与多级阶梯微反射镜之间的高度差会使到达探测器的两束光的光程差不同,因此探测器焦平面上可以获得目标物体的二维空间信息及一维干涉信息。根据多级阶梯微反射镜参数及光学系统设计参数计算得到摆镜步进角度为0.095°。利用实验获得的三维数据立方体进行了图像拼接与光谱复原。针对子阶梯反射镜存在宽度差异的问题,提出了一种基于极坐标霍夫变换的图像分割方法。为缓解拼接全景图中的间断线效应,将图像变换到HSI颜色空间并插值拟合其亮度分量后再变换回原空间。对拼接后的干涉图像进行了降维、去直流、寻址、切趾、相位校正、傅里叶变换及光谱分辨率增强等处理,完成了光谱复原工作。复原光谱分辨率为194cm~(-1),优于设计指标(250cm~(-1))。     

微小型傅里叶变换光谱仪光场分析与衍射抑制

为了进一步实现傅里叶变换红外光谱仪的微小型化,在基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪结构中引入空间光调制器与点探测器。利用多级微反射镜对入射光场进行相位调制,同时利用空间光调制器对各干涉级次进行分布式测量。将两个多级微反射镜作为两个相位衍射屏并将空间光调制器作为振幅衍射屏,分析光波与每一个衍射屏的作用,发现干涉光场受到空间光调制器和多级微反射镜边缘衍射光场的调制。多级微反射镜边缘对入射光的截止产生了衍射效应,为了抑制该衍射效应对系统的影响,提出了一种扩展多级微反射镜阶梯级数的方法。该方法通过扩大干涉区域,避免了边缘衍射效应对内部有效干涉级次的影响。计算表明,该方法可以消除干涉图序列的失真,有效实现信号光谱复原。     

多级微反射镜对准误差的分析与抑制

由于系统装调与器件定位精度的限制,空间调制傅里叶变换光谱仪中的两个多级微反射镜在对准过程中会产生相对位置的平移和旋转。为了明确对准误差对系统产生的影响,利用线性系统理论与标量衍射理论分别建立了平移误差与旋转误差对应的干涉图像与复原光谱的模型。通过对计算结果的分析,平移误差与旋转误差均会对边缘的干涉图元进行剪裁,从而在复原光谱中引入伴线,带来光谱噪声。根据平移误差与旋转误差对干涉图像的作用特点,提出一种对干涉图像进行区域补偿的方法,通过扩展多级微反射镜的阶梯级数扩大干涉区域,然后利用干涉图像内部有效的干涉图元进行光谱反演;计算表明该方法可以有效抑制对准误差给系统带来的影响,从而降低多级微反射镜的定位精度要求。     

多级反射镜阵列MonteCarlo法误差合成与统计分析

本文研究的傅里叶变换红外光谱仪利用两面多级反射镜阵列替代时间调制型傅里叶变换光谱仪中的平面反射镜,以多级反射镜阵列对干涉图数据进行二维采样,从而减小系统的体积并增加系统的稳定性．由于多级反射镜阵列在其制作过程中加工精度的限制,各子反射镜之间会存在厚度偏差ε与角度偏差θ,这将影响到采样干涉图的光强分布与复原光谱的质量．本文将各子反射镜的￡与臼作为随机变量,利用MonteCarlo方法对傅里叶变换光谱仪中所有子反射镜的误差项进行合成,并通过对误差合成后光谱误差因子Q的统计分析来评价子反射镜的各误差项对复原光谱的影响．统计结果表明,Q的统计均值随着σε与σθ的增加表现为一单调递增的曲面,且与两个偏差之间具有准线性关系．依据对Q的统计分析,可以确定多级反射镜阵列各子反射镜ε与θ的容限．     

低阶梯多级微反射镜高度误差分析及制作研究

本文提出了一种基于多级微反射镜和栅格分束器的静态轻型傅立叶红外变换光谱仪,通过两个多级微反射镜实现光程差的空间离散和干涉图的静态二维采样,通过引入栅格分束器有效降低了系统的体积和重量。作为该光谱仪的核心光学器件,多级微反射镜的阶梯高度一致性、面型平整度和结构精度是决定采样间隔、分辨率和噪声等仪器指标的主要因素。本文提出了基于MOEMS技术的厚度依次减半多层膜法,制作了台阶高度为0. 625μm,阶梯数为32的低阶梯多级微反射镜。测得实际阶梯高度平均值为626. 9 nm,表面粗糙度均方根值为1. 72 nm。分析了阶梯高度误差对光谱复原的影响,提出了两种阶梯高度误差校正方法,分别为通过修正因子来减小膜厚监控误差,和利用最小二乘余弦多项式算法对复原光谱进行校正。校正后的复原光谱误差(SCE)降低为2. 34%,满足系统对光谱复原的要求。最后,将该低阶梯多级微反射镜置入光谱仪中,得到乙腈样品的干涉图和复原光谱图。     

时空联合调制成像光谱仪前置成像系统分析与设计

为满足红外成像光谱仪大光通量、高稳定性的应用需求,提出了一种基于多级阶梯微反射镜的静态化、无狭缝式、新型红外时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪结构.对其工作原理和光程差的产生方式进行了分析.作为该成像光谱仪的重要部件,前置成像系统决定了光程差的分布,其性能直接影响到目标物体的图像质量.根据系统光程差的产生方式,分析和设计了像方远心光路结构的前置成像系统.利用被动光学消热差方法对前置成像系统进行了消热差研究.结果表明:当温度在-20—60?C的范围内时,各个视场的调制传递函数均达到衍射极限,在多级阶梯微反射镜的总阶梯高度范围内成像质量良好;在不同的温度下,各视场处主光线在像面上的最大入射角小于0.02?.     

空间调制型傅里叶变换光谱仪光场的均匀性研究

基于多级微反射镜的空间调制型傅里叶变换光谱仪在光场的横向空间同时采集所有光程差的干涉图信息,所以光场能量的空间分布特性影响着系统的性能。文章将空间分布函数引入到光谱仪系统中,通过仿真实验得到,分布函数调制后的干涉图对比度下降,同时复原光谱中出现边频谱线。理论分析表明,干涉图调制度下降来源于调制度函数对光程差采样空间的周期性变化;而边频谱线则是光源的单色谱线对调制度函数的空间频谱进行频率搬移的结果。最后,提出了平场校正的差影算法与反向恢复算法。仿真结果表明,反向恢复算法可以更好的复原出干涉图和光谱。     

中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪的设计与分析

提出一种基于微光学元件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪,通过引入红外微结构衍射光学元件、多级微反射镜和微透镜阵列,实现仪器的微型化.介绍了微型傅里叶变换红外光谱仪的结构及基本原理,分析了微型准直系统和聚焦耦合光学系统的设计理论,研究了单片折衍混合准直透镜的残存像差、衍射面的衍射效率、多级微反射镜的衍射、微透镜阵列的孔径衍射和中继系统的轴向装配误差对光谱复原的影响.最后,对中波红外微型傅里叶变换光谱仪进行了建模仿真,得到的复原光谱与理想的光谱曲线比较符合,实际的光谱复原误差为2.89%.该中波红外微型静态傅里叶变换光谱仪无可动部件,且采用了微光学元件取代了传统的红外镜头,不仅稳定性良好,而且体积小、重量轻,有利于在线监测应用.     

空间调制傅里叶变换光谱仪光谱探测中的大气扰动分析

在利用空间调制傅里叶变换光谱仪对远距离目标进行光谱遥测时,大气湍流扰动引起的入射光场的波前畸变会影响干涉图像和复原光谱的质量。根据大气湍流扰动对光场的相位调制作用,建立了大气湍流的随机相位模型与光场在大气中的分步传输模型,并对大气湍流扰动作用下的干涉图像与复原光谱进行了数值计算,结果显示:大气湍流会导致干涉图像的背景产生低频的强度起伏,并致使复原光谱在低频区域出现伴频噪声。采用统计实验的方法对归一化光谱误差与望远系统入瞳放大率、大气相干长度之间的关系进行统计分析。结果表明:归一化光谱误差的统计均值与望远系统入瞳放大率为准线性正相关,与大气相干长度为非线性负相关。依据归一化光谱误差的统计分析结果便可以根据外场环境的大气相干长度,合理地设计望远系统的入瞳放大率,从而实现对目标光谱的有效探测。     

空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪研究

针对目前环境、医疗、空间、气象、军事及安全等领域对傅里叶变换红外光谱仪微小型化、轻量化及固态化的迫切需求,提出并研究了一种以MOEMS多级微反射镜为核心器件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪。在理论研究方面,建立了空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪的物理模型,探究了该系统的光场分割与空间采样的光学原理;分析了多级微反射镜的衍射效应,提出了一种通过补边抑制衍射噪声抑制方法;进行了多级微反射镜采样误差的分析,并提出了基于最小二乘拟合的修正算法;通过对光源空间相干性、准直系统像差以及入射光场均匀性的分析,确定了光学系统的总体设计指标;通过对多级微反射镜基片加工精度、分束器材料色散特性和膜层透射效率等的计算分析,确定了干涉系统的设计方法与技术参数。在核心技术方面,提出了两个多级微反射镜的3种制作方法,分析了制作误差的来源及对系统性能的影响。通过工艺设计及实验条件探索,分别采用电铸法、真空镀膜法以及斜面倾角叠片法制作了两个多级微反射镜。在系统设计方面,进行了红外准直与缩束系统的光学设计,对整体光机系统进行了建模仿真,分析了杂散光噪声的来源。在图谱处理方面,利用过零采样方式,通过图像分割算法,获取了干涉图采样序列;通过对干涉图序列的插值、补零、延拓与卷积方法,完成了光谱相位误差的校正;通过离散傅里叶变换解调,实现了由干涉图像到信号光谱的数据反演。最后研究了系统光机整体的集成组装技术,并对原理样机进行了实验测试。本文研制的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪的特点在于:取消了动镜驱动机构与采样控制机构,具有微小型与轻量化的特点;干涉图的采样由多级微反射镜完成,其空间采样的方式增加了系统的稳定性与可靠性,实时采样的特点增加了系统的快速性与有效性;多级微反射镜阵列采用MOEMS工艺技术制作,增加了系统的采样精度。该光谱仪系统的结构及制作方法具有自主知识产权,并具有广阔的应用前景。     

基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪中准直误差的分析

通过对基于多级微反射镜的空间调制傅里叶变换红外光谱仪准直误差的分析,模拟了准直误差的存在而导致的干涉图大光程差处对比度反转和光谱图边频噪声的产生。讨论了在不同的误差系数下复原光谱图的信噪比和分辨率,并且分析了干涉图大光程差处对比反转以及光谱图边频分量的产生原因。仿真结果表明,在误差系数α=0.15°.mm-1时,光谱的信噪比会下降到6 dB,同时光谱分辨率会退化到13.4cm-1。本文的结论将应用于微型光谱仪系统的光学设计与装调。     

微透镜阵列加工误差对光学性能的影响

研究了微透镜阵列加工误差对光学系统成像性能的影响规律,寻求利于改善光学性能的面形误差分布。对面形误差与波前像差之间的转换矩阵进行建模,使仿真与计算的波前像差达到纳米级的误差精度,选用具有正交性的Zernike多项式作为光学和机械的接口,表示加工后光学表面的面形误差,并分别作为干涉图数据引入到已设计的子眼透镜表面,量化分析不同位置下畸变、点列图、点扩展函数(PSF)、调制传递函数(MTF)的改变情况。分析结果表明相同形状分布下,面形精度峰谷(PV)值对光学系统畸变和MTF的影响呈现递变规律,并且点扩展函数的二维分布与视场位置存在明显的对应关系;相同面形精度下,向左和中心对称分布的面形误差使得畸变、点列图和MTF在一定相对位置得到改善,而降低了其他相对位置的光学性能。综合考虑各光学参数的变化情况,向右对称分布的面形误差分布对于改善光学系统成像性能有利,为实现成像质量的可控超精密加工制造提供了理论基础。     

成像光谱仪大孔径前置物镜设计研究

含有阶梯微反射镜和片状分束器的时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪的前置成像系统不仅要满足与阶梯微反射镜参数相匹配,还需具有实入瞳和像方远心的特性。为此,研究了将普通红外物镜转变为具有实入瞳的像方远心结构的方法。同时,研究了片状分束器和补偿板所带来的离轴像差,并提出了采用柱面和泽尼克面相结合的矫正方法以提高成像质量。设计出满足光谱范围3~5μm、F数为4、有效焦距为400 mm、视场为4.58°的整个波段全视场范围内无渐晕的红外光学系统。仿真结果表明:前置成像系统的成像质量接近衍射极限,最大全视场均方根光斑直径为5.9μm。这种设计方法可以用于大孔径时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪前置成像系统设计。     

空间外差光谱仪干涉条纹调制度影响分析

空间外差光谱仪(SHS)所获取的干涉图像需经过傅里叶变换才能得到光谱信息.频域光谱的信噪比和光谱信号的质量很大程度上取决于干涉条纹调制度.针对干涉条纹调制度的影响因素进行了定量理论分析,包含分束器分束特性、光学系统像差(干涉组件面形误差、准直镜头输出面形误差及成像镜头调制传递函数曲线)、扩展光源及像元大小等.实验证明,空间外差光谱仪样机复原光谱实测结果与理论计算一致性较好,对干涉条纹调制度的定量分析为干涉型光谱仪各功能组件的设计提供了理论依据.     

傅里叶干涉成像光谱技术中的重构方法

在干涉成像光谱仪的光谱复原中,由于系统存在各种误差,若直接对所得干涉图进行傅里叶变换重构,得到的光谱图会产生较大误差甚至错误。介绍了Sagnac型干涉成像光谱仪基本原理,针对上述问题得到一套对采集得到的干涉图进行光谱重构的方法,通过对所采集干涉图进行消趋势项、切趾、相位校正、共轭对称化等步骤的处理,再进行重构,即可有效避免直接重构所带来的误差,使用所研制的原理样机对氦灯等单色光源进行光谱曲线重构实验,得到的光谱强度分布曲线与标称曲线基本吻合,光谱复原精度达到了4nm,具有较好的重构效果。     

一种静态傅里叶变换红外光谱仪的光学系统分析与设计

对基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪进行了光学分析,研究了光源尺寸、光强分布的不均匀性和光学系统像差等因素对光谱复原的影响。发现光源尺寸影响光谱分辨率,光强分布的不均匀性和光学系统像差会产生基线噪声。数值计算的结果表明,当光阑的尺寸小于2.5mm,不均匀的标准偏差小于0.5,准直系统的波像差均方根值小于0.05,以及缩束成像系统的光斑直径小于30μm时,光谱复原的噪声可以忽略。给出了光学系统的设计结果。     

像面干涉中非线性干涉光谱数据重构算法EI北大核心CSCD

静态迈克耳孙干涉仪是一种实体式像面干涉仪,可以解决干涉光谱成像仪大视场的技术难点。在采样过程中,静态迈克耳孙干涉仪会引入光程差的非线性干涉误差,导致无法准确复原光谱,因此需要对非线性干涉误差进行修正。分析了非线性干涉误差的理论模型,提出了基于数值拟合的非线性干涉光谱数据重构算法,并进行了仿真验证。仿真结果表明,采用数值拟合的重构算法可成功复原目标光谱,消除非线性干涉误差;与采用线性拟合的重构算法相比,使用柯西色散公式拟合的重构算法的光谱复原精度更高,且吸收峰处的反演光谱与入射光谱的相对误差小于0.7%。