Wollaston棱镜阵列中子棱镜结构角误差分析

Wollaston棱镜阵列中各个子棱镜的结构角间的误差影响着光谱仪的性能.从干涉图的无缝拼接入手,推导了n元Wollaston棱镜阵列的最大光程差公式,以三元Wollaston棱镜阵列为例,分析子棱镜结构角误差对光谱分辨率的影响,通过干涉条纹光强公式构建干涉图样模型,利用Matlab软件编写相关程序,仿真了630 nm单色光的复原光谱,分析结构角误差对光谱的影响.实验结果表明:当子棱镜结构角误差大于10-3数量级时,光谱中将有伪峰出现,为Wollaston棱镜阵列的研制提供了理论依据.     

大孔径静态干涉光谱成像系统(LASIS)中实体Mach-Zehnder干涉仪加工误差容限分析

简要叙述了LASIS光谱成像系统的原理和仪器构成,针对LASIS光谱成像仪像方视场与干涉数据单边过零采样的要求,通过对实体Mach-Zehnder横向剪切干涉仪结构和光路进行分析,并对比Sagnac型横向剪切干涉仪的结构,研究了该干涉仪的附加光程差与加工误差的关系,给出了附加光程差公式和误差容限公式,对探测器阵面上光程差变化的非线性效应影响进行了分析和仿真。结果表明,相比Sagnac型横向剪切干涉仪,因实体Mach-Zehnder干涉仪的非共光路特点产生的附加光程差会导致探测器上的零光程位置的偏移,为保证过零单边采样的要求,需对干涉仪的尺寸误差进行严格约束,其中组成干涉仪的两块非对称五角棱镜非对称量的匹配误差小于0.02 mm;而探测器上光程差变化的非线性效应引起的光谱复原误差小于0.2%,基本可以忽略不计。     

轻小型中阶梯光栅光谱仪光学设计及性能分析

中阶梯光栅光谱仪采用中阶梯光栅与棱镜交叉色散结构,在像面形成二维光谱。影响中阶梯光栅光谱仪分辨率因素较多。分析了针孔直径、光栅参数、棱镜参数、CCD像素尺寸和像差对系统分辨率的影响,得到针孔、光栅、CCD是影响系统分辨率的主要因素,并推导三者在确定系统实际分辨率时相互制约的关系,从而设计一种高分辨率轻小型中阶梯光栅光谱仪。结果表明,轻小型中阶梯光栅光谱仪像差得到充分校正,分辨率达到设计要求。通过对拍摄的汞灯谱图进行还原与标定,实际分辨率为0.038 nm,达到目标值(0.05@ 200 nm)的要求。而普通的光栅光谱仪要达到这样的分辨率,其焦距是500 mm左右,充分体现轻小型的优势。     

干涉型光谱仪高精度光谱定标方法

干涉型光谱仪获取光谱的干涉数据信息,数据处理过程中将干涉信息进行一系列光谱复原,最终得到光谱信息数据。光谱定标处理是干涉型光谱仪光谱反演的重要环节,直接决定了光谱信息的可用性和准确度。介绍了干涉型光谱仪光谱定标的基本思路,并在此基础上提出了一种基于总光程差精确解算的光谱定标方法。由于干涉型光谱仪总光程差难以精确测量,而总光程差解算是光谱定标的核心和关键,基于此情况,提出了遍历总光程差,分析光谱漂移,最终确定干涉型光谱仪总光程差的总体思路。定标处理中将所有总光程差可能值带入光谱复原流程,进行光谱复原与分析,最终得到光谱漂移最小的总光程差,即为总光程差解算值。该方法可以精确解算干涉型光谱仪的总光程差,进而对干涉型光谱仪进行高精度光谱定标。同时介绍了详细、完整的光谱定标流程,最终得到干涉型光谱仪各个波段的中心波长值、波数分辨率等。最后设计了典型的干涉型光谱仪主要参数,并生成了该光谱仪的模拟干涉数据,利用该方法对模拟数据进行光谱定标,并对光谱定标结果进行了精度分析和验证,证明该方法波数分辨率定标精度优于0.000 25 cm-1。     

干涉成像光谱仪光通量的计算与分析

论述了干涉成像光谱技术的工作原理,采用光线追迹的方法对基于Sagnac棱镜和Savart偏光镜的干涉仪中的光线传播规律进行了分析,推导出了无狭缝式干涉成像光谱仪光通量的精确理论计算公式,并对干涉成像光谱仪中具有代表性的Savart型偏振干涉成像光谱仪光通量和改型Sagnac成像光谱仪光通量进行了分析比较.通过计算机模拟给出了系统光通量随入射角和波长变化的关系曲线.该研究对干涉成像光谱仪的研究和工程化研制具有重要的指导意义. 关键词： 干涉成像光谱仪 光通量 透射比     

基于多级组合棱镜提高激光中心波长检测精度的研究

为了在保证抗干扰能力不下降的条件下提高对激光中心波长的检测精度,设计了多级组合棱镜系统,并提出了多级组合棱镜的干涉条纹拼接处理方法及相位耦合的计算公式.通过计算多级组合棱镜的干涉图强度、光程差函数及光谱分辨率,分析了采用三块子棱镜的组合结构的光谱获取,给出了用于分段干涉条纹拼接的处理方法及步骤,最终光谱分辨率可达2.8...     

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。     

基于电光调制沃拉斯顿棱镜组提高光谱分辨率的研究

为了在基本不改变光学干涉器件尺寸的条件下提高静态光谱分析设备的光谱分辨率,在分析了各种提高静态干涉系统光程扫描范围方法的基础上,设计了基于电光调制沃拉斯顿棱镜组的光学干涉系统。系统采用沃拉斯顿棱镜组的光学结构,计算了其相应的光程差函数,同时,又利用电光调制技术对晶体折射率进行调制,并推导了一个调制周期内的光程差变化范围,最后给出了系统的综合光程差函数及光谱分辨率。实验采用三块尺寸、结构角都一致的沃拉斯顿棱镜构成沃拉斯顿棱镜组,通过SGT-3型声光调制器调制信号。结果显示,经消冗余处理后干涉条纹图像可有效融合,调制后的干涉图像虽略有畸变,但经线性校正后满足光谱分布函数还原的要求。相比同尺寸的静态干涉系统而言,光谱分辨率提高了近一个数量级。     

高光谱成像仪中曲面棱镜的装调公差研究

基于曲面棱镜的光谱成像技术是近几年该领域研究的热点,但曲面棱镜前后球面的非共轴特性使得曲面棱镜的装调难度远大于传统共轴光学系统。装调误差是影响成像系统最终成像质量的重要因素,目前曲面棱镜高光谱成像仪的公差分配方法大多以系统调制传递函数(MTF)为评价指标,未考虑装调误差对谱线弯曲、色畸变的影响。利用几何光学方法研究了曲面棱镜谱线弯曲、色畸变的产生机理,构建了曲面棱镜光谱仪谱线弯曲、色畸变与曲面棱镜装调误差关系的数学模型,分析了曲面棱镜装调误差对高光谱成像仪光谱畸变的影响。通过几何光线追迹,对曲面棱镜装调误差的分析结果进行了验证。结果表明,谱线弯曲、色畸变和MTF对曲面棱镜装调误差的敏感程度存在显著差异。为了保证曲面棱镜装调误差引起的系统MTF下降容限在设计值的10%以内,进行了二次公差分配以得到最终公差分配结果,其中公差极限值最小的单项装调公差为X轴方向的倾斜误差,为实际系统的装调提供了参考。     

一种提高静态傅里叶干涉仪光谱分辨率的方法

为了在不改变静态傅里叶变换干涉具尺寸的前提下提高光谱分辨率,设计了正交斜楔型静态傅里叶变换干涉具,采用两个正交的等效斜楔形成连续的光程差变化.通过推导传统干涉具与正交斜楔型干涉具的光程差函数,设计了采用正交斜楔型干涉具增加有效探测长度,从而提高光谱分辨率的方法.经仿真计算,正交斜楔型干涉具的最大光程差为0.323 4 mm,比传统干涉具的0.080 8 mm大4倍左右,即光谱分辨率提高了4倍.实验证明,由于正交斜楔的探测原理使干涉具边缘的干涉条纹产生畸变,故要对干涉条纹进行边缘切除及滤波,给出了切除大小的计算公式.采用WQF520型光谱仪进行对比实验,检测800 nm的激光,该干涉具误差小于1 nm.该方法可有效地提高静态傅里叶变换干涉具的光谱分辨率.     

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。     

傅里叶变换光谱成像仪光谱传递函数研究

根据光学传递函数理论,定义了光谱成像仪的光谱传递函数. 针对基于Michelson干涉仪的时间调制傅里叶变换（FT）光谱成像仪,基于Sagnac干涉仪、Fresnel干涉仪、Lloyd干涉仪的空间调制FT光谱成像仪,推导出相应的光谱调制传递函数和光谱相位传递函数解析表达式,并分析了其物理意义. 光谱传递函数为评价相应光谱成像仪在光谱域的性能提供了一种量化的判据. 与空间域的光学传递函数相结合,成为反映光谱成像仪综合性能的客观依据. 关键词： 傅里叶变换 光谱成像仪 光谱传递函数     

一种多棱镜组合设计优化图像干涉性能的新方法

为了在不影响干涉条纹成像质量的基础上通过增大双折射棱镜结构角的方法获得更细致的光谱成分,优化设计了双折射棱镜的结构.通过计算分束角与结构角之间的函数关系,分析得知在传统双折射棱镜后附加一个与第二个楔形同性质的等腰三角形棱镜,使出射棱镜的o光和e光平行于光轴,即分束角α为0°,从而干涉条纹的成像不再受分束角的变化所影响....     

基于成像光谱仪的Sagnac干涉仪的优化设计

为了满足仪器的轻量化设计要求,研究了成像光谱仪系统中Sagnac干涉仪的优化设计方法,讨论仪器轻量化设计中干涉仪尺寸与系统前置望远镜倍率的制约关系,通过将Sagnac干涉仪展开为平板玻璃的方法对干涉仪的结构和光路进行分析,根据几何关系推导出Sagnac干涉仪几何尺寸与入射干涉仪的光束孔径和视场角的关系表达式,通过该关系式可以求出干涉仪的尺寸极值和对应的系统前置望远镜倍率大小。以某短波红外光谱仪为例,运用推导出的关系式,计算并给出了优化设计结果。     

Compact static infrared broadband snapshot imaging spectrometer

A compact static infrared broadband snapshot imaging spectrometer （IBSIS） is presented. It consists of a telescope, three prisms, a focusing lens, and a detector. The first prism disperses sharply in the near-infrared （NIR） range along the vertical direction, and it is relatively non-dispersive in the mid-wave infrared （MWIR） range. The second prism is substantially more dispersive in the MWIR range than in the NIR range along the horizontal direction. The beam deviation caused by the first and second prisms can be controlled by the third prism. The IBSIS yields a two-dimensional dispersion pattern （TDP）. The formulas and numerical simulation of the TDP are presented. The methods of target location calculation and spectral signature extraction are described. The IBSIS can locate multiple targets using only one frame of data, which allows for real-time detection and measurement of the energetic targets.     

大孔径空间外差干涉光谱成像技术多谱段成像仿真

在大孔径空间外差干涉光谱成像技术（LASHIS）的基础上提出了一种多谱段成像方案.其采用LASHIS的外差探测原理,一方面,可通过较少的采样点数实现很高的光谱分辨率,保留了LASHIS的高光谱分辨率、高稳定性和高探测灵敏度的特点;另一方面,利用光栅的多级衍射性质,实现同一系统的多谱段同时探测,拓宽了光谱探测范围.首先,阐述了LASHIS多谱段成像方案的基本原理;然后,分析了多谱段探测与谱段解混方式;最后,对该方案进行了计算机仿真模拟,通过ZEMAX光线追迹的干涉图结果与理论计算结果相符合,验证了方案的正确性.基于LASHIS的多谱段成像方案所具有的高光谱分辨率、高探测灵敏度以及可实现同一系统的多谱段同时探测特点,尤其适合温室气体等高稳定性、高探测灵敏度的多谱段高光谱探测应用.     

Modeling and analysis for the image mapping spectrometer

The snapshot image mapping spectrometer(IMS) has advantages such as high temporal resolution,high throughput,compact structure and simple reconstructed algorithm.In recent years,it has been utilized in biomedicine,remote sensing,etc.However,the system errors and various factors can cause cross talk,image degradation and spectral distortion in the system.In this research,a theoretical model is presented along with the point response function(PRF) for the IMS,and the influence of the mirror tilt angle error of the image mapper and the prism apex angle error are analyzed based on the model.The results indicate that the tilt angle error causes loss of light throughput and the prism apex angle error causes spectral mixing between adjacent sub-images.The light intensity on the image plane is reduced to 95%when the mirror tilt angle error is increased to ±100 "(≈ 0.028°).The prism apex error should be controlled within the range of 0-36"(0.01°)to ensure the designed number of spectral bands,and avoid spectral mixing between adjacent images.     

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.