宽视场大相对孔径高光谱成像仪光学系统设计

宽视场大相对孔径高光谱成像仪已成为航空海洋水色遥感等领域的应用需求。根据宽视场和大相对孔径的研究目标,采用离轴Schwarzschild望远成像系统和改进型Dyson光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个视场为40°、相对孔径为1/1.8、工作波段为0.35~1.05μm的航空遥感高光谱成像仪光学系统。基于像差理论,分析了改进型Dyson光谱成像系统球差校正原理,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,并对设计结果进行了分析。分析结果表明,设计的光学系统在各个波长的光学传递函数均不小于0.82,谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元尺寸的5%。这便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且系统体积小、重量轻,适合于航空遥感应用。     

超光谱成像仪狭缝热光谱特性的分析

介绍了在狭缝超光谱成像仪中的重要作用。推导出在温度水平变化时,狭缝宽度尺寸的变化对超光谱成像仪光谱带宽与信噪比的影响,得到了超光谱成像仪狭缝的热光谱特性。比较了两类常见狭缝的热光谱特性,得出热特征尺寸与其导热率乘积越小的狭缝热光谱特性也越好的结论。     

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.     

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。     

基于正交种子曲线扩展算法设计自由曲面离轴反射无焦系统

离轴反射无焦光学系统在空间望远镜中具有重要的应用,自由曲面能够校正离轴反射系统中的非对称像差。设计自由曲面离轴反射无焦系统的初始结构非常关键。提出了正交种子曲线扩展算法(OSCE),可直接设计自由曲面离轴反射无焦系统的初始结构。为了验证方法可行性,分别设计了放大倍率为10和20的离轴无焦三反和四反系统。设计结果表明离轴三反系统初始结构均方根(RMS)波前差为0.36 λ,离轴四反系统初始结构波前差为0.18 λ。对这两个初始结构分别进行优化,优化之后的RMS波前差小于0.02 λ。     

平顶光束通过湍流大气传输的光谱特性

采用Rytov相位结构函数二次近似的方法,推导出了平顶光束在湍流大气中的光谱传输方程,详细研究了其光谱特性,并给出了合理的物理解释。研究表明,轴上点光谱为蓝移,随着离轴距离的增大,光谱由蓝移逐渐变为红移,轴外点存在多阶光谱跃变现象。随着湍流的增强,光谱位移量和光谱跃变量减小、光谱跃变现象消失。特别分析了平顶光束与高斯谢尔模型(GSM)光束通过湍流大气传输的光谱跃变之间存在的差异。     

超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性

为了确定超光谱成像仪热控指标和开展热设计,研究了超光谱成像仪中棱镜的热光谱特性。介绍了超光谱成像仪的工作原理以及热光谱特性的含义,分析了棱镜的环境热效应,论述了棱镜热光谱特性研究内容及技术路线,推导了温度变化时棱镜偏转角以及角色散的函数关系,进一步得到光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律。借助有限元分析,比较了K9、熔石英两种材料的棱镜的入射角、顶角、材料色散、光谱中心平移及光谱带宽随温度变化规律,确定了棱镜的热控指标,并设计了热光谱试验。理论分析和试验结果表明由于热变形引起的光谱带宽和光谱分辨率改变可以忽略不计,光谱平移主要由材料折射率温度系数决定;棱镜材料色散(dn/dλ)对温度变化不敏感,因此温度变化对其光谱带宽影响不明显; 本文研究方法合理,结果可信,对确定棱镜的热控指标和优化热设计具有指导意义。     

星载宽波段远紫外高光谱成像仪光学系统设计

根据高层大气遥感的应用要求,设计了一个全反射式的远紫外高光谱成像仪光学系统,该系统由扫描镜、离轴抛物面望远镜和超环面光栅光谱仪组成。提出了一种凹面超环面光栅光谱仪像差校正方法,根据凹面光栅的几何像差理论求解初始结构参数,然后利用光学设计软件Zemax进行优化,完成了超环面光栅光谱仪的设计,在工作波段内,点列图半径的方均根均小于16 μm,实现了宽波段像差同时校正,满足光谱分辨率0.6 nm的指标要求,也证明了提出的像差校正方法是可行的。运用光学设计软件Zemax对远紫外高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,各波长的光学传递函数均达到0.8以上,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,适合空间遥感应用。     

超短脉冲厄米-高斯光束在湍流大气中的光谱移动和光谱跃变

基于广义惠更斯-菲涅尔原理，推导出了超短脉冲厄米-高斯(H-G)光束在湍流大气中的光谱传输方程，研究了其光谱移动和光谱跃变特性，并给予了合理的物理解释.研究表明，超短脉冲H-G 光束通过湍流大气传输其光谱特性由大气折射率结构常数、厄米多项式阶数、脉冲宽度和观察点位置坐标等因素共同决定.轴上点光谱为蓝移，随着离轴距离的增大，光谱由蓝移变为红移，无光谱移动点的位置坐标与脉冲宽度无关.此外，当湍流增强到一定程度时离轴点还存在光谱跃变现象.自由空间与湍流大气中的光谱跃变行为存在很大的差异，本文对此进行了详细的分析. 关键词： 超短脉冲厄米-高斯(H-G)光束 湍流大气 光谱移动 光谱跃变     

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     

离轴四反光学系统反射镜支撑技术研究

为了使一种全新的离轴四反射式光学系统达到很好的光学性能,对在该光学系统中的四个大小形状不一的球面反射镜分别进行了分析。结合反射镜的结构形状和相对位置特点找出了最适合每片反射镜的支撑方案。经过有限元分析进行了辅助设计和优化设计,使各个支撑结构达到了性能最佳、整机重量最轻、公差分配最合理。     

宽视场长焦距离轴三反射镜光学系统的设计

分析了离轴三反射镜系统成像特性．根据共轴三反射镜光学系统像差理论，确定结构参数的基本计算公式．设计了长焦宽视场的离轴三反射镜光学系统，分析了系统结构参量对像差的影响．结果表明，该系统视角较大，地面复益范围较宽，成像质量接近衍射极限．     

A central spectrum model: a synthesis of auditory-nerve timing and place cues in monaural communication of frequency spectrum

A probabilistic psychophysical model for monaural communication from the auditory nerve to the brain is given in the form of a tonotopic display of stimulus spectrum, termed central spectrum. The model builds upon prior research demonstrating the potential of neural timing cues from the auditory nerve for conveying information on complex spectra, and was designed to meet the quantified demands of the psychophysics of frequency measurement. The central spectrum magnitude at each frequency is determined by the response of the auditory-nerve fibre with characteristic frequency matching that frequency. An interval histogram from each fiber is passed through a filter matched to the characteristic frequency of the fiber. This output versus characteristic frequency defines the central spectrum. Detailed analysis demonstrates that efficient probabilistic processing of the central spectrum described known psychophysical properties of frequency measurement in discrimination and periodicity pitch experiments. Psychophysical models based upon the central spectrum model followed by optimum probabilistic pattern recognition are potentially relevant for predicting human communication limits in response to arbitrary sounds of speech and music.     

用一幅离轴菲涅耳数字全息图重建物光波的局域算法研究

基于对离轴菲涅耳全息干涉条纹强度分布的分析,根据CCD记录数据的特点研究了从一幅全息图重建物光波波前、再现物体像的一种新方法.以记录面上某一点（CCD靶面上某一像元）为中心取一个小邻域,假设在该邻域内参考光的振幅、物光的振幅和相位是慢变化的,全息图的强度变化仅是由倾斜入射的参考光的相位变化引起的,从而可用最小二乘法构建一个线性方程组,通过求解该方程组可求得该点物光波的振幅和相位.文中给出了该方法的基本思想和理论分析,并通过计算机模拟和初步的光学实验,验证了该方法的正确性和有效性.     

用极值频率法分析数字全息的记录条件

根据全息理论,通过分析全息图光栅结构的极值频率,利用抽样定理以及频谱分离条件,分析了离轴菲涅耳全息的记录条件,得到了不同于以往文献的最小记录距离及参考光源设置表达式,并做了计算机模拟验证.结果表明：用该方法推得的离轴菲涅耳全息最小记录距离和参考光设置表达式是正确的.只有同时满足抽样条件和频谱分离条件,才能得到高质量的再现像.     

同质材料反射系统热特性研究

为从原理上阐述同质材料反射系统的温度特性，并为光学系统设计提供依据。以热变形特征及其计算方法为基础，以光学系统焦点为研究对象，依次介绍单反射镜、共轴多反、离轴反射系统的温度特性，并建立了相应热差模型。仿真结果表明，离轴三反系统后焦距随温度的变化情况与对应镜筒的热变形量完全一致，其在较大温差范围内具有良好的成像质量。由温度变化引起的热离焦可被镜筒补偿，验证了理论模型的正确性，得出在均匀温度场条件下同质材料反射系统无热差的结论。因此，当光学系统尤其是热差效应明显的红外系统采用同质材料反射系统时具有良好的温度适应性。     

Linear and nonlinear vibrations and waves in optical or acoustic superlattices (photonic or phonon crystals)

A model of a dielectric or an elastic superlattice is proposed which describes quite simply the frequency spectrum of electromagnetic or acoustic waves. The frequency band spectrum of a one-dimensional lattice consists of minibands, which narrow down with increasing frequency (so that the forbidden bands in the spectrum broaden with increasing frequency). An elementary analysis of the spectrum of a one-dimensional lattice reveals the presence of many forbidden frequency bands in this case as well. It is shown that dynamic equations for superlattices can be generalized to the nonlinear case, leading to equations of the type of the nonlinear Schrödinger equation for the lattice. Soliton excitations are described and the particle-like dynamics of solitons is demonstrated. Local vibrations near point defects of different complexity in superlattices are studied and graphically illustrated. The existence of Bloch oscillations of a wave packet in a superlattice in a homogeneous external field is discussed.     

新型离轴反射变焦距光学系统的多视场检测方法

基于对离轴反射变焦距光学系统进行计算机辅助装调研究, 需要检测离轴反射变焦距系统各个视场的波像差, 除零度视场外, 获得包括其他视场的波像差有助于提高计算机辅助装调的准确性, 但是目前已有的波像差检测方法往往只能获得系统零度视场的波像差. 本文针对这个难题提出了一种检测离轴反射变焦距光学系统各个视场波像差的方法, 并应用于离轴三反变焦距光学系统的各视场波像差仿真检测. 该方法在传统自准直干涉法的基础上进行改进, 关键在于采用变形镜代替扫描的平面镜, 并采用夏克-哈特曼波前传感器代替干涉仪, 配合精确标定的激光器光源阵列, 可以实现对离轴三反变焦距光学系统的多视场波像差同时检测. 由理论分析和仿真模拟得出, 该系统在视场(0°, 3°), (0°, 4.2°), (0°, 5.5°), (0°, 7°), (0°, 9.8°), (0°, 14°)处经过变形镜补偿后的剩余波像差的RMS值分别为0.00039λ, 0.00075λ, 0.0024λ, 0.00017λ, 0.00053λ, 0.0057λ, 分析仿真结果表明此检测方案是可行的, 且适用于离轴反射变焦距系统的计算机辅助装调技术的研究.     

红外热像仪扫描器光学MTF的测试

叙述并探讨用数字傅里叶分析法测量红外热像仪扫描器光学ＭＴＦ的方法,该方法采用热像仪调试用的靶标和反射式平行光管及热像仪实际 ＳＰＲＩＴＥ探测器和输出电路,并得用扫描器自身的扫描获得线扩展函数,采用离散傅里叶变换法进行计算,具有设备简单、易操作和计算快捷的特点。