光谱学 光谱仪器

TH744.12006053927基于菲涅尔双面镜的全反射成像光谱技术研究=Study onall reflective i maging spectrometer based on Fresnel Doub-le-mirror[刊,中]/吴文敏(北京理工大学光电工程系,颜色科学与工程国家专业实验室.北京(100081)),廖宁放…//光学技术.—2006,32(3).—431-433针对时间调制型成像光谱仪需要高精度动镜驱动系统,无法承担高速光谱测量的弱点,研制了一种新型的基于菲涅耳双面镜的全反射式成像光谱仪。由于采用了全反射式的结构设计,同一套系统可以工作在可见光和红外不同的波段。通过试验结果分析了系统的基本性能。图8参5(…     

全反射式高分辨率傅里叶成像光谱仪的研究

提出了一种基于分波前干涉结构的全反射式高分辨率傅里叶变换成像光谱仪。其中前置望远系统及干涉成像系统都采用了反射式光学元件,反射表面镀金属反射膜,使系统可应用与很宽的光谱范围内。分析和讨论了光谱仪的工作原理及光学结构,设计了两种可行的光路结构图,并通过初步实验验证了系统的基本性能。     

反射式转镜干涉光谱仪光程差计算

高分辨率反射式转镜干涉光谱仪是一种新型傅里叶变换光谱仪,它利用倾斜旋转镜的转动产生非线性的光程差(OPD).光程差的研究对于干涉光谱仪的性能指标分析、设计和研制具有重要意义.在介绍反射式转镜干涉光谱仪的原理基础上,描述了利用基于马吕斯定律的光线追迹法和基于镜面成像原理的像点法分析其光程差的方法.利用光线追迹法导出了任意...     

一种大孔径紫外傅里叶变换成像光谱仪结构研究

根据刑侦、物证等领域的应用要求,研制了一种工作波段为254~380nm的大孔径傅里叶变换成像光谱仪。该系统采用具有高光通量的时间-空间调制型结构以解决现有系统能量不足的问题。系统采用像平面式干涉仪与全反射式Offner成像镜相配合的方案,可实现干涉图上光程差近似线性分布。其在紫外波段最大可获得光程差与空间调制型干涉结构相同,理论最大波数分辨率为80cm-1。系统前置物镜、分光立方体为熔石英材质,成像镜为全反射系统,在全工作波段内具有较高透射率。实验结果表明,系统可获取工作波段短波端附近的原始干涉图,能正确采集及重构目标的紫外波段光谱数据立方体;在使用汞灯照明时,可正确识别365nm处发射峰。     

PGP成像光谱仪的全视场自动化光谱定标方法

为了对PGP成像光谱仪所获得的光谱数据进行定量化分析,需对PGP成像光谱仪进行光谱定标,以获得各光谱通道的中心波长、光谱分辨率及成像光谱仪的光谱弯曲等光谱特性信息。采用单色准直光法设计了一套全视场自动化的光谱定标系统,系统中引入球面镜为待测的成像光谱仪光谱定标提供准直光,通过可自动控制的折转镜改变定标入射光线的入射角,以此实现待测成像光谱仪空间维不同视场的自动化光谱定标。运用该定标系统对PGP成像光谱仪进行光谱定标实验,得到该成像光谱仪的光谱性能参数,并结合定标系统的结构特点,对实验的结果进行了精度分析。实验分析结果表明该系统对PGP成像光谱仪的中心波长定标精度达到0.1 nm,光谱分辨率定标精度达到1.3%。该研究设计的全视场自动化光谱定标系统具有结构新颖紧凑、通用性较强、光谱定标精度较高等特点,且由于自动化的控制,避免了由于人为参与定标过程所带来的额外误差。该系统可用于实现PGP成像光谱仪及其他同类型成像光谱仪的光谱定标。     

柱面反射式消像散Czerny-Turner光谱仪高分辨探测技术研究

传统Czerny-Turner光谱仪系统中,像散是影响光谱仪成像质量并限制其在分析领域中进一步应用的主要因素。针对这一问题,提出了柱面反射式消像散Czerny-Turner光谱仪高分辨探测技术。使用柱面反射镜校正系统像散,能够提高系统像质,在具有良好工艺性的同时,保证宽波段C-T光谱仪的实际分辨力。实验证明,柱面反射式消像散C-T光谱仪的分辨力在400～800nm的探测范围内可以达到0.02 nm。该技术能够提高光谱仪的性能,为高分辨宽波段的光谱仪研制提供可行方法。     

空间高层大气遥感远紫外成像光谱仪的光学系统

空间高层大气遥感远紫外成像光谱仪主要用于观测高层大气中的远紫外辐射和实现对其内部中尺度现象成像的功能。目前我国该类的相关仪器研究基础还比较薄弱,针对这种情况,在光学系统设计的角度上给出了一种适用于130～180nm波段探测的光学系统方案。该成像光谱仪光学系统以离轴抛物镜为物镜,串联Wadsworth结构为成像光谱系统;这种串联Wadsworth成像光谱系统采用离轴抛物镜做准直镜,分光器件为平面光栅和球面光栅串联,实现二次色散,同时球面光栅起到聚焦成像作用;在像差理论的基础上,对该结构的光程函数和各像差进行了分析,获得了改进结构的宽波段完善成像条件。针对低轨空间探测应用要求设计了相关改进型Wadsworth结构成像光谱仪光学系统,设计结果证明系统像差得到了充分校正,在奈奎斯特频率(20lp/mm)下全视场全波段调制传递函数值在0.6以上。该优化结构同时具备高空间分辨率和高光谱分辨率,性能优越。     

改进型高分辨率宽波段Schwarzschild成像光谱仪研究

针对Schwarzschild结构在成像光谱仪系统中的应用进行了研究。以Schwarzschild结构的像散分析为基础,获得了该结构的完善消像差条件;之后,对该结构进行了改进,由准直镜和凸面镜,以及凸面镜和聚焦镜分别组成了两个消像散的Schwarzschild结构,从而构成了Schwarzschild成像光谱系统。并给出了这种系统的各个光学参数的计算条件。以一工作波段为340~500 nm的紫外-可见成像光谱系统为例进行了设计,从而对设计理论进行了验证。根据优化理论计算了初始结构最优解并进行光线追迹模拟,成功设计了数值孔径0.125,全视场全波段调制传递函数值在奈奎斯特频率(20 lp·mm-1)下大于0.58的高分辨率成像光谱仪光学系统。这种结构的不同变形分别可以作为Czerny-Turner系统,Ebert-Fastie系统或者Offner系统应用,设计结果也表明这种改进的系统设计理论适用于小型宽波段高分辨率成像光谱仪。     

凸面光栅成像光谱仪全视场自动化光谱定标系统设计

为了确定凸面光栅成像光谱仪的光谱特性,需要对凸面光栅成像光谱仪进行光谱定标。基于单色准直光法设计了一套全视场光谱定标系统,引入球面镜提供准直光,采用一块可以自由滑动和转动的折转镜改变定标光线的入射角,实现了全谱段自动化光谱定标。运用光学设计软件CODEV对光谱定标系统进行了部分光学模拟,证明了整个系统的可靠性。结合光谱定标系统的结构和特点,对整个光谱定标系统进行了精度分析。理论分析结果表明,该系统的光谱定标精度优于1%。该定标系统具有体积小、通用性强等特点,可为其他成像光谱仪的光谱定标提供参考。     

改进型Czerny-Turner成像光谱仪光学系统设计方法

像散是目前影响Czerny-Turner结构成像光谱仪空间分辨率最大的像差。首先引入柱面反射镜,利用光焦度衡量像散大小,推导出易于计算的像散校正公式,有效地校正了像散。给出准直镜到光栅距离的计算方法,有效校正了成像光谱仪边缘视场像差。给出了成像光谱仪像面倾角的计算方法,实现了宽波段的像差校正。最终利用上述方法设计了一套用于115～200nm的改进型Czerny-Turner成像光谱仪,焦距f′=48mm,F数为5.0,全视场、全波段调制传递函数(MTF)在0.7以上。全波段光谱分辨率为0.22nm,像面大小为8mm×7mm。设计方法适用于多种结构要求的成像光谱仪。     

新型偏振干涉成像光谱仪噪声分析与评价

简要论述了自行设计、研制的新型偏振干涉成像光谱仪的基本原理;对该新型偏振干涉成像光谱仪的噪声进行了全面分析;给出了与系统通量相关的总噪声理论表达式;提出了结合成像光谱仪系统、CCD图像传感器与光谱图像提取噪声的分析方法;辅以信噪比的评价,得知成像光谱仪系统通量虽然对噪声具有巨大贡献,但不会影响系统信噪比;为成像光谱仪信噪比的准确计算与降噪方法的有效采用提供了新的理论指导.     

干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正研究

在阐述一般成像系统中CCD象元响应非均匀性校正的原理与算法的基础上,通过对星载可见光干涉成像光谱仪CCD象元响应非均匀性校正的相对辐射定标原理及所获定标数据的深入分析,研究出了一种适于对可见光及红外干涉成像光谱仪系统CCD象元响应非均匀性进行校正的方法,有效解决了干涉成像光谱仪系统探测器阵列非均匀性校正这一工程技术难题.     

宽波段高分辨率小型紫外成像光谱仪光学系统研究

结合小型紫外光谱仪器设计原理对紫外成像光谱仪进行了研究。以离轴抛物镜为望远镜,超环面光栅为成像光谱系统设计了系统方案;该光学系统的优化设计就是对超环面光栅的参数设计。分析了光栅的光程函数和像差方程,总结了单超环面光栅结构的完善聚焦条件和完善成像条件;这两种条件无法在代数计算下得到完善代数解,限制了光谱仪的工作波段和视场,引入遗传算法解决了这个问题。以一工作波段为200~280 nm的日盲紫外成像光谱仪为例对设计理论进行验证,根据优化理论计算了初始结构最优解并进行光线追迹模拟,成功得到了F数为5.7,焦距为102 mm,全视场全波段调制传递函数值在奈奎斯特频率(20 lp·mm-1)下大于0.65的高分辨率成像光谱仪光学系统。设计结果表明这种光学系统设计理论适用于小型宽波段高分辨率紫外成像光谱仪。     

宽波段高分辨率Dyson成像光谱仪设计研究

主要对一种远心成像光谱仪系统,即Dyson成像光谱仪进行了设计研究。这种成像光谱仪结构简单紧凑,仅由一个半球透镜和一个凹面光栅组成。在Rowland圆与折射理论的基础上,分析了Dyson成像光谱仪在宽波段下可消除像散的重要条件,即光栅半径与半球透镜半径之比,并获得了具备极高光学性能的光学系统参数计算条件。为了使这种成像光谱仪更适宜于工程化应用,又在其基础之上设计和分析了探测器表面脱离半球透镜的方法。设计实例获得了数值孔径0.33,工作波段0.38~1.7 μm,狭缝长度15 mm,像面表面成像斑均方根值半径小于2.5 μm的Dyson成像光谱仪结构和改进后的像斑均方根值半径小于8 μm的改进型Dyson成像光谱仪结构。该设计方法和设计结果合理可行,优化结构性能优越,并可用于工业及遥感等多个领域。     

编码孔径成像光谱仪光学系统设计

本文设计了一种以双Amici棱镜为分光元件的成像光谱系统,该系统主要包括前置望远物镜、编码板、双Amici棱镜、准直镜和成像镜.此类光学系统可以获得很高的衍射效率,相比于狭缝结构的成像光谱系统,该光谱仪为两维空间扩展的视场,无疑增加了设计难度.后期的数据反演算法对一次像面编码板的成像效果过于依赖,基于此,对光学系统的像差校正提出了更高的要求.本文设计、分析了基于双Amici棱镜的成像光谱仪的原理及特点,设计了一套完整的成像光谱系统.前置望远物镜的设计为像方远心,MTF在39线对处,达到0.8,成像质量良好.创新性的将前置望远物镜倒置用做准直系统.全系统各个波长在39线对处的MTF值均在0.65以上.对室外目标景物进行推扫成像,从获得的成像数据判断,本文设计的编码孔径成像光谱仪原理可行,衍射效率高,全视场成像质量良好,全谱段光谱数据可信.     

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.     

用于大气遥感的远紫外光栅色散成像光谱仪的研究

远紫外光栅色散型成像光谱仪在空间大气遥感领域主要用于电离层、热层、极光和辉光的探测。文章根据临边与天底结合的大气成像光谱探测原理,提出了探测方案,设计了适用于远紫外波段的光栅色散型成像光谱仪的两种光学系统,并选择了平面光栅结构进行研制集成,在国内首次获得了原理样机。样机工作波段为120～180nm,望远系统采用离轴抛物镜,光谱成像系统采用改进型的Czerny-Turner结构,探测器使用远紫外响应背照型增强CCD。搭建了相应的实验系统对样机的基本性能参数进行了测试,测得光谱分辨率约为2nm,空间分辨率0.5mrad。这种远紫外光栅色散型成像光谱仪的研究对完善我国大气遥感事业具有重要的研究与应用价值。     

光纤成像光谱仪中谱线畸变对调制传递函数的影响

将光纤传像束应用到色散型成像光谱仪中取代其狭缝,链接望远系统和光谱仪组成光纤成像光谱仪。它是二重采样系统,光谱仪的谱线畸变使光纤束采样像元的像与探测器像元之间产生对准偏差,从而对第二次采样过程产生影响,导致调制传递函数(MTF)下降。从线扩散函数角度出发推导出采样过程光学传递函数,分析了谱线畸变对系统MTF的影响,建立了一套评价光纤成像光谱仪MTF的模型。该模型比狭缝型成像光谱仪MTF计算模型多了一项光纤积分MTF因子和一项由谱线畸变引起的对准偏差MTF因子,最后用该模型评价了某机载可见近红外波段光纤成像光谱仪MTF。MTF计算模型的推导和建立方法对计算二重采样系统光学传递函数有参考意义,能指导光纤成像光谱仪的设计。     

基于CDP的宽波段光谱成像仪研究

为满足动态目标实时光谱成像的应用需求,设计了一种基于CDP(crossed dispersion prism)的静态、快照式的光谱成像仪。对其光谱成像原理进行了理论研究,并根据理论研究结果对宽波段CDP光谱成像仪光学系统进行设计。该光谱成像仪由CDP分光系统、成像光学系统和面阵探测器组成,视场角为4°,焦距为110 mm,工作波段为0.6~5.0 μm。设计结果表明,该仪器在0.6~5.0 μm的波段范围内具有较好的光谱成像能力,平均光谱分辨率为20 nm。该技术为实时获取动态目标光谱信息及位置信息提供了一种新方法,同时该技术在对未知高能目标探测、定位以及识别方面具有很大的潜力。     

基于Offner中继结构的机载棱镜色散成像光谱仪系统设计

考虑到机载遥感平台对成像光谱仪小型化、轻量化要求的逐渐提高,在分析了主要几种成像光谱仪特点的基础上,重点阐述了技术成熟度较高的光栅色散和棱镜色散型成像光谱仪,研究了基于Offner中继成像结构的紧凑型成像光谱系统。结合Offner同心光学系统成像特点,在给定系统指标的情况下,设计出了两种在发散和会聚光束中使用色散元件的全球面光谱系统,给出了系统的调制传递函数、点列图以及系统谱线弯曲、色畸变曲线。结果表明,两种结构的Offner成像光谱仪,实现了遥感仪器小型化的目的,具有接近衍射极限的优良成像性质。同时,很好地控制了系统的谱线弯曲和色畸变,保证了获取光谱数据的一致性。