棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计

为实现成像光谱仪系统的直视性和小型化特点,设计一种棱镜-光栅-棱镜（PGP）结合式元件,作为分光系统的成像光谱仪光学系统装置。系统主要包括PGP分光原件、准直系统、成像系统和接收系统。光栅采用体全息相位光栅,可以获得很高的衍射效率,准直和成像镜采用对称式结构,可以有效地消垂轴像差。根据实际指标探测器像元尺寸为20 m20 m,像元数为512512,采用双像元合并方法,光谱通道数为148个,狭缝大小为10.2 mm10.2 mm,波段在400 nm~800 nm,物方数值孔径为0.15。分析了PGP光谱成像系统的原理、特点,对参数关系和体全息相位型光栅的衍射效率进行了详细的讨论。分析结果表明:PGP元件在整个光谱范围内理论衍射效率大于0.6,采用ZEMAX软件进行优化设计,得到系统的平均光谱分辨率优于3 nm,在截止频率处平均传递数大于0.7,系统总长90 mm。     

棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统的光学设计

设计了一种基于棱镜-光栅-棱镜(Prism-Grating-Prism,PGP)分光器件的新型成像光谱仪.论述了此成像光谱仪的工作原理和结构形式,包括PGP、准直物镜和成像物镜的设计要求.PGP元件中采用体积相位全息透射光栅,可以获得高的衍射效率,并且能与棱镜较好地胶合.给出了此成像光谱仪的设计结果,其光谱范围为400～800 nm,像元光谱分辨率约1.6 nm,系统长度为85 mm.     

可见近红外波段无人机载成像光谱仪设计

为了满足地物成像光谱分析的需要,设计了同轴安装、体积小、重量轻的适用于无人机载的棱镜-光栅-棱镜型可见近红外成像光谱仪.通过角放大率选择、光焦度分配、相对孔径计算设计了视场较大的前置物镜;通过光栅方程求解、体相位全息光栅布拉格条件约束、棱镜折射定律设计了光谱系统的初始结构;通过工作光谱上下限出射角与探测器光谱维宽度的关系确定了成像物镜的焦距;通过出射光角度明确了出射光谱的非线性.设计的无人机载成像光谱仪工作光谱范围为400~1 000nm,视场角为40°,全工作波段在空间截止频率20.8lp/mm处的传递函数值均大于0.67,光谱分辨率小于3nm.装调了无人机载成像光谱仪对室外绿化树木进行光谱推扫成像实验,实现了树叶的多光谱成像.该成像光谱仪能够有效实现光谱成像,性能良好.     

基于Dyson同心光学系统的消色差Féry棱镜高光谱成像仪的设计

为实现高光谱成像系统小型化、轻量化和高成像质量的要求,并使全工作波段具有更高的光学效率,提出以Féry棱镜组合作为分光元件的Dyson高光谱成像仪系统,系统中引入消色差棱镜组合以减小光谱的非线性色散,使棱镜系统色散的线性度达到较高。结果表明,可见近红外（VNIR）光谱通道的光学调制传递函数（MTF）达到0.9以上,光谱分辨率为4.2～6.8 nm。短波红外（SWIR）光谱通道的MTF达到0.73～0.87,光谱分辨率为6.4～12.5 nm。通过消色差Féry棱镜组合的设计,该光学成像系统两个光谱通道内的相对谱线弯曲均小于0.05%,色畸变小于0.13%。     

超光谱成像光学设计

针对超光谱成像涉及光学、光谱学、机械、微电子、计算机等众多研究领域,成像光谱仪需要小型化设计的要求,设计一个超光谱复消色差的成像系统。从像差理论出发,依据典型的光学玻璃在400 nm~1 000 nm波段的色散特性,导出了消二级光谱的理论公式。针对系统指标全视场7.63,F/#为5,焦距为60 mm,利用ZEMAX软件,对其二级光谱进行了校正设计。结果表明,在可见光和近红外波段,成像系统在60 lp/mm处的MTF均大于0.5,其他像差也达到了要求。     

棱镜-光栅-棱镜分光模块整体化设计及衍射特性分析

PGP模块是超光谱成像仪中重要分光器件。为了能够在制作前有效预测PGP整个系统的衍射效率分布及其衍射特性,提出了PGP整体化设计方法。从体位相全息光栅设计角度出发,结合棱镜与光栅各项参数的制约关系,编制了计算PGP整体衍射效率的分析软件,综合考察了棱镜与光栅各项参数对PGP模块衍射特性的影响,讨论了光栅布拉格波长的漂移特性,据此设计了一种用于成像光谱仪的宽波段高衍射效率PGP分光模块。模拟结果表明：棱镜1材料的色散系数越小,PGP的光谱带宽越窄;光栅布拉格波长的漂移增大了PGP模块和光栅的光谱带宽,带宽增大使光栅的角度选择性随之增大,拓宽了棱镜1材料的选择要求;棱镜1顶角、光栅的胶层厚度和相对介电常数调制度等参数是影响PGP衍射效率分布的重要因素,制作时需要精确控制。利用此方法设计的PGP分光模块在400～1 000 nm波段范围内衍射效率不低于50%,并给出具体设计参数,这对PGP制作具有一定的参考价值。     

消谱线弯曲棱镜-光栅型成像光谱仪设计

针对平面光栅和棱镜成像光谱仪难以校正谱线弯曲的问题,提出了利用棱镜-光栅(P-G)组合分光元件并结合系统物镜畸变校正谱线弯曲的方法。分别计算了棱镜和光栅产生的谱线弯曲以及P-G组合元件产生的光谱弯曲,分析了棱镜和光栅的谱线弯曲特性,并基于此设计了P-G组合分光元件和消谱线弯曲成像光谱仪结构。通过优化设计得到光学系统的光谱分辨率高于2nm,点列图均方根(RMS)半径小于8μm,系统谱线弯曲和光谱弯曲小于2μm。证明了P-G组合元件结合系统物镜畸变可补偿校正整个工作波段的谱线弯曲和光谱弯曲。最后的设计结果表明,基于P-G分光元件的成像光谱仪系统在满足像质要求的前提下,谱线弯曲小于1/4像元尺寸,满足使用要求。     

光栅色散临边成像光谱仪的研究

临边成像光谱仪是一种对大气遥感探测有重要研究和应用价值的新型空间光学遥感仪器。从大气临边成像光谱探测的原理出发,设计并研制了光栅色散紫外/可见临边成像光谱仪原理样机。该样机采用宽波段折射式消色差前置望远光学系统与改进的Czerny-Turner光谱成像系统匹配的结构型式,其中,前置望远光学系统为像方远心,光谱成像系统为物方远心。工作波段为540~780 nm(一级衍射光谱)和270~390 nm(二级衍射光谱),通过切换可见、紫外带通滤光片来实现两个波段分别探测,质量为8 kg,体积为450 mm×250 mm×200 mm。实验检测结果表明,该样机的空间分辨率为0.45 mrad,光谱分辨率为1.3 nm,均满足设计指标要求,并且具有体积小、质量小等特点,适合空间遥感应用。     

星载宽波段临边臭氧廓线探测仪光学设计

星载宽波段临边臭氧廓线探测仪是一种新型空间光学遥感器,根据宽波段、大动态范围、小型化的要求,提出了利用随波段衰减滤光片调节入射信号的强度,实现宽波段大动态范围临边成像光谱同时探测的新方法。采用离轴抛物面望远镜和离轴非球面光谱成像系统,设计了一个棱镜色散型宽波段临边臭氧廓线探测仪光学系统,工作波段290~1000 nm、视场1.4°×0.032°、焦距80 mm,相对孔径1/6。利用光学设计软件ZEMAX-EE进行了优化设计和性能评价,结果表明,成像点弥散斑半径的均方根值最大为6.2 mm,小于探测器像元尺寸的1/2,在290 nm处,光谱分辨率0.9 nm,在1000 nm处,光谱分辨率22 nm,均满足设计指标要求。临边臭氧廓线探测仪全系统不同波长的光学传递函数在特征频率7.4 lp/mm处大于0.82,设计结果满足成像质量要求,且具有体积小、质量轻的特点,适合空间遥感应用。     

350mm口径透射式宽光谱复消色差光学系统设计

为了在室内检测光电测试设备在某种工况下的瞄准线稳定精度、稳定器稳定精度等指标,需通过平行光管来提供无穷远目标。设计指标要求为:采用透射式结构,工作波段400～700nm,D=350mm,焦距为2.8m,视场角为3.5°,全视场内实现复消色差。设计采用柯克三片分离式透镜作为初始结构形式,根据宽光谱复消色差理论,选取玻璃材料,利用校正光学系统色差与二级光谱的条件计算各片透镜的光焦度,求解光学系统初始结构;根据大口径宽光谱平行光管像差要求,引入色球差参数以及消二级光谱参数进行优化,通过玻璃材料匹配,实现复消色差。设计结果:在不引入非球面的情况下,系统接近理论衍射极限,全视场波像差RMS值均优于λ/22,全视场内实现了复消色差,满足设计指标要求。     

基于S-L图的复消色差方法

建立了一组既消位置色差又消二级光谱的方程组,即复消色差方程组.同时引入了规化位置色差系数L和规化二级光谱系数S的概念,得到了对复消色差光学系统设计中的玻璃选择具有指导意义的S-L图.最后给出了应用这种方法进行的三片型透镜组和Petzval型透镜组的复消色差设计过程.     

交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

根据Czerny-Turner结构光谱仪工作原理,以便携式微型光学系统为设计目标,设计了一种光谱范围为200900nm的交叉非对称型Czerny-Turner光谱仪光学系统.通过分辨率、光谱范围等设计要求确定光谱仪大致结构后,引入初级像差对初始结构进行进一步优化.首次提出将球差约束条件与光阑面选取相结合,设计流程确定准直镜通光口径、光栅初始尺寸及聚焦镜中心波长对应口径,继而结合彗差约束条件,确定球面镜离轴角,并基于几何光学确定聚焦镜初始通光口径的方法.利用ZEMAX软件对初始参量进行模拟优化,并采用自主研制的样机进行光谱测量,分析结果表明,该光学系统能够在狭缝宽度为25μm,光栅常数为1.667μm/line条件下,实现中心波长分辨率优于1nm,边缘波长分辨率优于1.5nm.     

电离层遥感远紫外成像光谱仪光学系统设计

基于Czerny-Turner分光结构的成像光谱仪光学系统,介绍了一种用于电离层观测的远紫外成像光谱仪光学系统设计方法。分析了该结构的像差来源,提出了使用发散光照明光路的消像差方法,计算了像差校正条件。设计了工作在120～180nm波长范围内的远紫外成像光谱仪光学系统,视场角为6.0°×0.1°,焦距为121.8mm,F数为6.2。利用调制传递函数(MTF)和成像仿真分析的方法对该系统的主要性能参数进行了评价,验证了设计的成像光谱仪的光谱分辨力优于1.0nm,空间分辨力优于0.1°,完全满足电离层观测的应用要求。与同类设计相比,该系统不含非球面光学元件,加工装调简单且易于工程实现。     

光学系统纵向色差的仿真及验证

现有的焦距检测方法通常由于检测仪器光源波长与光学系统不完全匹配从而产生纵向色差影响检测结果。针对这一问题，研究光学系统纵向色差的变化规律，并确定在400 nm～1 000 nm波段用于表示其函数关系的Conrady公式和复消色差特性公式。根据光学系统近焦位置的离焦量与位置呈线性关系的特性, 提出使用菲索干涉仪测量5种不同波长的焦距位置，获得单透镜和双胶合镜头的纵向色差曲线。实验结果表明: 在400 nm～1 000 nm波段单色系统和消色差系统的纵向色差的函数关系分别符合Conrady公式和复消色差特性公式，研究结果为焦距的理论计算和精确检测提供了新的思路和参考。     

一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

 成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发,利用Zemax软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中,前置望远物镜采用反射式结构,传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限,设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正,最终设计的望远镜头传函在50 lp/mm处达到0.5,场曲控制在0.078以内,且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统,该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率<5 nm,MTF在50 lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2,波长的80%的能量集中在Φ6 μm范围内,波长各视场在特征频率50 lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。     

紫外-可见宽光谱显微成像光学系统的设计

 介绍一个紫外-可见宽光谱显微物镜的设计过程。通过改进的PW法求解初始结构参数,确定采用两个分离的正负透镜组组成透射式光学系统,根据光学材料的色散特性,选取正透镜材料为CaF2,负透镜材料为熔石英,通过建立复消色差方程组来分配双分离透镜的光焦度,合理地对两组透镜的偏角进行分配。运用CODE-V光学设计软件对系统进行优化,使系统的位置色差和二级光谱同时得到校正,实现了复消色差。仿真结果表明：系统在整个视场范围内,点列图弥散圆RMS半径值小于5  ,最大视场处的像散为0.058,畸变为0.04 %。     

紫外宽光谱大相对孔径光学系统设计

现有大部分紫外光学镜头的工作带宽较窄,紫外镜头的材料相对较少,镜头的紫外色差校正困难,导致其应用适应性降低。采用负正透镜交叠分布与类双高斯对称式结构形式,并利用熔石英材料和氟化钙材料本身的宽光谱透过性,设计了一种兼具大相对孔径、宽视场和高分辨率的紫外宽光谱光学系统。该系统的工作波长范围为240 nm～360 nm,紫外工作带宽高达120 nm,所有透镜均采用球面透镜,便于加工和检测。在全视场范围内,以中心波长300 nm为参考波长,系统横向色差最大值不超过1个像素,在截止频率50 lp·mm?1处的调制传递函数值优于0.4,并且各个视场的像点弥散斑半径均方根值均优于10 μm。设计结果表明:该紫外宽光谱光学系统的成像性能优良,分辨率高,色差小,满足设计要求。     

机载多尺度广域高分辨率成像系统设计

针对机载光电成像系统的大视场高分辨率成像需求,设计一种基于共心球透镜的多尺度广域高分辨率光学成像系统,该光学系统包括大尺度共心球透镜和小尺度次级相机阵列,具有结构紧凑的优点。根据共心球透镜所具有的球差和色差特性,并结合小尺度相机对像差进行进一步校正以分割视场,可以实现大视场高分辨率成像。全系统在受力以及高、低温的条件下进行实验,实验结果表明该成像系统具有良好的稳定性,且全视场范围内的调制传递函数值恒接近于系统的衍射极限,弥散斑半径的方均根值小于探测器的像元尺寸,说明该系统的成像效果良好。所提系统可以有效解决传统机载成像系统难以同时满足大视场和高分辨率的问题,为光学成像系统设计提供一种新思路。