基于离轴三反光学系统的高分辨率中阶梯光栅光谱仪

基于离轴三反光学系统和多列线阵探测器,设计了一种具有宽波段高光谱分辨率的中阶梯光栅光谱仪.首先,以仪器性能指标为约束优化中阶梯光栅的结构参数,使光栅在保证高色散的同时将宽工作波段折叠重合在较小的光谱级次内,并采用多列线阵探测器采集信号.然后,以离轴三反光学系统作为会聚镜,以离轴抛物镜作为准直镜,实现了高色散宽自由光谱的像差校正.最终,设计的中阶梯光栅光谱仪工作波段为400～900 nm,F数为4.5,光谱分辨率在402.31,541.82,870.48 nm时分别为0.003,0.004,0.005 nm,系统体积为380 mm×325 mm×230 mm.     

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。     

双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计

提出了双光栅平场全息凹面光栅光谱仪的优化设计方法.将使用波段一分为二,由两个使用结构相同的平场全息凹面光栅分别进行光谱成像以达到提高光谱分辨率的目的.根据全息凹面光栅像差理论,对光栅的使用结构和两光栅各自的制作结构进行优化求解以校正离焦、像散、彗差和球差等各种像差.据此原理设计了工作波段为200~800 nm、探测器长...     

小型分段式高分辨率中阶梯光栅光谱仪的设计

由于棱镜具有色散不均匀的特点,中阶梯光栅光谱仪的二维谱图在长波波段不可避免地存在相邻衍射级次间相互干扰的情况。为了克服这一缺点,同时充分利用探测器像面,设计了一种小型分段式的中阶梯光栅光谱仪。通过对中阶梯光栅和棱镜色散原理的详细分析,确定了二者参数与探测器之间的关系,结合双缝间隔设计方法,采用双狭缝切换的方式,给出分段式中阶梯光栅光谱仪的设计方法。利用此方法将系统的波段范围165～800 nm分为165～230 nm和210～800 nm两部分,焦距设计为200 mm,分别采集双波段的二维谱图。使用光学设计软件对光学系统进行仿真,结果表明,200 nm处的实际光谱分辨率可达0.015 nm,满足设计指标的要求。     

宽场平谱面全息凹面光栅光谱仪的设计

全息凹面光栅光谱仪具有平谱面、小型化、大孔径、高分辨率等优点。首先从信息光学的角度推导了全息凹面光栅的成像公式,在垂直于狭缝和平行于狭缝的平面上系统分析了全息凹面光栅光谱仪的成像性能;在垂直于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪具有良好的平谱面性;在平行于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪克服了传统平面光栅的谱线弯曲和色畸变,实现了谱线平直成像;此外指出全息凹面光栅光谱仪固有的弧矢场曲对视场扩展的限制。然后根据理论分析结果提出了结构对称消场曲的全息凹面光栅光谱仪的设计思想,利用ZEMAX软件优化设计了像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。在保证相对孔径F#=3、光谱分辨率为20nm/mm、空间分辨率小于25μm等技术指标不变的前提下,设计了狭缝长度为0.4mm的传统单球面镜全息凹面光栅光谱仪和狭缝长度为8mm的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。结果表明,改进后的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪成功地将视场扩大为单球面镜全息凹面光栅光谱仪的20倍。     

宽谱高分辨平场凹面全息光栅光谱仪设计

为了获得宽谱、高分辨的平场凹面全息光栅,将全息凹面光栅理论、遗传算法、衍射级次空间共用和同时消像差思想融合在一起,提出设计宽谱、高分辨平场凹面全息光栅的方法,给出了实际设计步骤。通过Zemax软件光线追迹仿真具体实例,给出了200～800nm波段的点列图变化曲线[均方根(RMS)约为11μm],以10μm×1mm狭缝入射,其光照度光谱图显示光谱分辨率在200～400nm波段为0.25nm,在400～800nm波段为0.5nm。该方法可以用于设计小型化、实用化的宽谱和高分辨平场凹面全息光栅光谱仪光学系统。     

二维全谱高分辨中阶梯光谱仪光学系统设计

传统的罗兰圆光谱仪和Czerny-Turner型光谱仪常常采用刻线密的光栅和大的成像焦距,来提高其光谱分辨率,其结果导致成本高和仪器体积庞大。为了克服这一缺点,提出了一种中阶梯光栅和低色散棱镜相结合的光谱仪光学系统设计方法。具体分析了中阶梯光栅的基本原理和使用方法,给出设计基于中阶梯光栅的光谱仪基本步骤,并且实际设计了基于中阶梯光栅的高分辨光谱仪光学系统,焦距为400 mm,可在全谱工作波段180~800 nm成二维光谱。Zemax光学设计软件对光学系统进行光线追迹结果表明,该系统环围能量在单个CCD像素(24 mm×24 mm)内达到50%~70%以上,200 nm处分辨率可达0.00675 nm,完全满足设计指标要求。     

面向微小型紫外光谱仪的凹面光栅模拟与设计

针对微型紫外光谱仪设计要求,基于凹面光栅理论与方法开展了微小型紫外光谱仪的像差分析,完成平场化凹面光栅的模拟分析与设计,解决了紫外宽光谱与高分辨率问题,同时应用光栅衍射理论、全息光学理论,采用光栅设计软件PCGrate对凹面光栅的衍射效率进行了设计和优化,使所应用级次的光谱衍射效率在整个设计波段内达到最优,实现了微小型紫外光谱仪的平场凹面光栅设计。所设计紫外凹面光栅工作波长范围190～410nm、口径20mm,F/#=0.21。按照设计参数装调的微型紫外光谱仪在宽度为50μm缝光源再现情况下,光谱分辨率优于3nm,衍射效率无异常出现。     

基于全息光学元件的光纤光谱仪的光路设计

基于全息光学理论分析了全息光学元件的高斯成像性质,包括光焦度、成像位置、衍射效率以及作为光纤光谱仪光栅元件的可行性,并以全息光栅的成像理论以及光谱仪工作原理为基础,设计了光谱仪器光学系统的各个参数,通过Zemax软件的仿真、像质评价及优化,得出最终的参数和模拟结果。所使用的全息光栅记录波长为575 nm,记录光束之间的夹角为10,一束为平面波,一束为球面波,焦距40 mm,使用+1级衍射光,光栅孔径为10 mm。光谱仪的工作波长范围为400 nm～800 nm,体积140 mm*30 mm*40 mm,谱面展宽29.1 mm。通过在光学平台上搭建光路,利用已研发完成的电路系统及光谱仪软件,针对汞灯光谱进行了试验,光谱分辨率优于8 nm,测量得到的汞灯光谱与标准汞灯光谱一致,表明了所设计的基于全息元件的光纤光谱仪光学系统是可行的。     

基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计研究

根据凹面光栅的几何像差理论,提出了一种基于超环面均匀线距光栅的成像光谱仪优化设计方法,该方法利用遗传算法和光学设计软件ZEMAX两次优化来获得最优的光学结构参数。以设计一个远紫外成像光谱仪为实例,工作波段110～180nm,狭缝尺寸50μm×5mm,数值孔径0.1,利用ZEMAX软件对设计结果进行了分析和评价,结果表明,不同波长的光学传递函数在奈奎斯特频率101P/mm处均大于0.7,点列图半径的均方根值小于14μm,在工作波段内获得了良好的成像质量,满足空间分辨率0.5mrad,光谱分辨率0.6nm的设计要求,也证明了该优化设计方法是可行的,可在其他波段推广应用,对光栅色散型成像光谱仪的设计具有指导意义。     

可见-短波红外波段光谱模块光机装调及分析

介绍了自行研制的辐射仪器的光谱模块,其光谱范围覆盖可见-短波红外波段(400 nm~2 500 nm),讨论了光谱模块的装调方法并对装调结果进行了分析研究。辐射仪器由3个光谱模块组成,分别是可见波段光谱模块(400 nm~1 000 nm),近红外波段光谱模块(900 nm~1 700 nm)和短波红外波段光谱模块(1 600 nm~2 500 nm),光谱模块的探测单元均以平场凹面光栅分光,线阵探测器探测信号,光谱模块的光机组件主要包括光纤头、狭缝、反射镜组件、光栅组件和探测器组件等。鉴于光谱模块的光机装调效果与其光机设计息息相关,装调结果的好坏能反映光机设计的优劣,针对光谱模块的光机设计特点进行了光机装调。光机装调分析结果表明:3个光谱模块的波长分辨率分别优于4 nm,15 nm和20 nm,达到了仪器的设计指标,验证了光机设计、装调的合理性。     

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.     

数字微镜近红外光谱仪光学系统设计与实验

针对传统光谱仪体积大、成本高、检测速度慢、需样品前处理等不足,提出了利用数字微镜面阵（DMD）实现光谱谱面分割分时选通的近红外光谱仪光学系统.首先,对比传统光路介绍单探测器微型光谱仪系统测量原理|然后结合DMD特性提出光路方案,根据几何光学原理进行初步光学元件选型和光路结构设计,利用ZEMAX光学软件对光路进行仿真,确定结构参数|最后,搭建实验平台,进行光路测试.实验结果表明:该系统光路尺寸为70 mm×130 mm,测量波段为（900～1 500 nm）,分辨率可达19 nm|在能量损失较小的情况下,减小狭缝尺寸可提高光学分辨率,狭缝的极限尺寸为200 μm|减小狭缝子午面高度可减小谱面内弯曲现象.本系统基本满足近红外分光,实现单点探测器光谱测量的要求.     

基于光-热-结构模拟的罗兰圆型光谱仪热工况优化设计

针对目前紫外光谱仪热工况优化研究缺乏的问题,该文设计出一款探测范围为200 nm～450 nm、全波段分辨率不低于0.2 nm的罗兰圆光谱仪,并耦合光、热、结构模拟对其光室热工况开展优化研究。热仿真结果表明:在无加热、无入口风速下光谱仪底座温度、温差随时间不断增加,难以达到热平衡;优化光室入口风速,发现当入口风速为0.8 m/s时,整体温度降至36.103℃～39.859℃;基于光学器件间的热变形量的计算,光学器件截距总热变形量为0.203 mm;优化加热方式,发现顶层式加热方式最佳,整体温度降至34.241℃～36.139℃,光学器件截距总热变形量降至0.122 mm。对此进行光学仿真,结果表明,优化工况后的罗兰圆光谱仪工作热变形后可清晰分辨出两束波长相差0.2 nm的光束。     

紫外高分辨率像散校正型罗兰全息光栅设计

为了降低紫外高分辨率罗兰光栅的像散对光谱像高展宽的影响,提出了在罗兰圆上使用球面波非对称曝光设计思路。推导完全校正离焦和子午彗差的表达式,讨论了多种罗兰光栅记录结构的局限性,优选适合校正紫外高分辨率罗兰光栅的优化方法。通过全息光栅像面展宽表达式, 指出像散和弧矢彗差是影响光谱像高的主要因素,并分配了两者的优化权重。利用这种优化思路,设计了工作波段110～200 nm紫外高分辨率罗兰光栅,同时对比分析了传统光栅的像差系数和像高变化规律、像面结构和光谱分辨率。结果表明,和传统罗兰光栅分辨率处于同一数量级的情况下,所设计光栅光谱像高由25 mm降低到1.5 mm,谱面能量集中度有显著的提高。     

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。     

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。     

双光栅切换微型平场全息凹面光栅光谱仪

基于CCD的微型平场全息凹面光栅光谱仪,以其简单紧凑的结构和快速高效的工作方式在光谱分析领域获得了广泛的应用。但是,由于受限于色散距离,单纯依靠优化光栅像差很难进一步使光谱分辨率获得大幅提高。提出一种双光栅切换微型平场全息凹面光栅光谱仪的设计方法,用两个使用结构相同的光栅代替传统的单光栅设计,给出一个光谱范围为400～1000nm光谱仪的具体设计,计算显示光谱分辨率最大可提高为原来的2.5倍。通过对光栅衍射效率的计算分析,说明此方法能够显著改善仪器的通光效率。设计制作了原理样机,进行了装调测试,实验结果与理论计算相吻合。