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。     

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。     

硫化锌表面微结构抗反射特性的理论模拟及制备EI北大核心CSCD

针对硫化锌表面微纳米结构在中远红外波段7~10μm的增透性能开展理论及实验研究。基于时域有限差分软件建立物理模型,理论研究微结构参数变化对减反性能产生的影响,依据红外光谱值分布图宏观展示微结构参数与透过率的关系。利用飞秒激光在空气环境中制备不同规格的微纳米结构阵列,通过实验实现了设计的结构。分别测试样品在中远红外波段7~10μm范围内透过率,其中8μm的网格结构在8.5~10μm波段的平均透过率可提高4%,在10μm波长处透过率提升7%。实验结果表明所制备的结构具有良好的抗反射性能。对比结果显示实验所示透过率变化趋势与仿真结果具有一致性。     

静止轨道高光谱海洋水色仪光学系统设计

设计了由超大口径前置望远系统和超大视场光谱仪组成的超大口径高光谱海洋水色仪.前置望远系统采用同轴三反光学系统结构,口径为4 m,视场为0.64°,焦距为21.6 m,波段范围为400~1 000nm.超大视场光谱仪采用改进的Offner结构,视场为240mm,光谱分辨率为10nm.探测器像元尺寸为15μm×15μm,4片探测器交错拼接实现400km幅宽.超大视场光谱仪在400~1 000nm的宽波段内,点列图半径的均方根值均小于3.9μm,静止轨道高光谱海洋水色仪全系统不同波长的MTF在33.3lp/mm处大于0.52,各项指标均满足应用要求.     

双罗兰圆结构光谱仪的光学系统设计

提出一种基于双罗兰圆光学结构的光谱仪光学系统及其设计方法。其中,200 nm～500 nm光路为常规的罗兰圆光学结构;500 nm～700 nm光路运用凹面光栅第零衍射级次光谱线,利用平面反光镜将谱线射入另一个凹面光栅,实现了双罗兰圆光学结构。根据设计要求及光学系统各个参数之间的相互约束,设计、计算出光学系统各个参数指标,基于Zemax仿真分析,调整光学参数并验证光学系统的可行性。针对平面信号探测器在罗兰圆周上存在像差问题,利用反光镜增添信号探测器的可摆放个数,使像差比初始结构减小4.475 μm,光谱仪整体光学结构尺寸小于400 mm × 500 mm。仿真结果表明:光谱仪所测的光谱波段范围可达200 nm～700 nm,全波段分辨率达0.4 nm。     

高光谱分辨率紫外Offner成像光谱仪系统设计

紫外成像光谱仪是遥感探测仪器的重要组成部分之一。在机载和星载领域,遥感平台正逐步要求光谱仪在实现高分辨率的同时,其设备趋于轻量化和小型化。针对紫外成像光谱仪高光谱分辨率、轻量化、小型化等特点,研究了基于Offner结构的紫外成像光谱系统,设计了一种工作波段为250~400nm、狭缝长40mm、光谱分辨率为0.3nm的高分辨率紫外成像光谱仪,并对设计结果进行了分析与评价。结果表明,这种紫外成像光谱仪在38.5lp/mm处调制传递函数达到0.76以上,实现了接近衍射极限的优良成像质量;谱线弯曲和色畸变在像元尺寸的10%以内。另外,该结构在原Offner结构的基础上大大缩小了系统体积,实现了紫外遥感仪器小型化、轻量化的目的,且易于加工和装调,满足设计指标要求,适合机载和星载遥感应用。     

大视场宽谱段高分辨率分波段机载紫外-可见光成像光谱仪设计

紫外-可见光(200～500 nm)成像光谱仪是空间遥感的重要组成部分,本文基于机载紫外-可见成像光谱仪的特殊性和实际应用要求,提出了一种采用面阵CCD的摆扫式成像光谱仪,这样既克服了传统线阵CCD摆扫式成像光谱仪空间分辨率低的缺点,同时又弥补了推扫式成像光谱仪视场范围有限的缺点,能够满足大视场、宽谱段、高分辨率成像光谱仪的应用要求;此外,考虑400～500 nm波段中200～250 nm波段二级光谱的影响和<290 nm的短波区和>310 nm的长波区两个波段相差3个数量级的辐射波动,采用了分波段、分系统的方式独立进行消杂光光谱成像。在系统结构设计方面,本着高性能、低成本的设计理念,选用了两镜同心系统作为望远系统,Czerny-Turner平面光栅结构作为成像光谱仪系统的光学设计方案;设计了一种不使用任何辅助光学元件,全部采用球面镜结构的成像光谱仪。整个系统结构简单、紧凑,性能优良, 可行性好。全谱段、全视场调制传递函数值在0.6以上。     

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。     

基于微透镜阵列的积分视场成像光谱仪前置成像系统分析与设计

作为对天文光谱进行观测的仪器，成像光谱仪有着十分重要的作用。由于传统的狭缝型成像光谱仪的狭缝限制，对面源天体的观测需多次扫面，才能获得完整的面源三维数据立方体(x, y; λ)，这样将会浪费大量的观测时间。为了实现目标物体三维数据立方体的快速扫描，提出了一种基于微透镜阵列的无狭缝、静态化、快速高效的可见光到近红外波段积分视场成像光谱仪结构，并对其基本工作原理进行分析。为了扩展微透镜阵列积分视场成像光谱仪在医学、农业、物探等其他领域的应用潜能，该研究的光谱波段选择可见光到近红外波段。根据视场积分的工作原理，分析和设计了像方远心结构的离轴三反前置成像系统。系统采用视场离轴方式，波段范围400～900 nm，相对口径F/5，主镜、次镜和三镜皆为二次非球面，二次非球面系数分别为：-7.05，-0.92和-1.61。为减小系统体积，在离轴三反系统的焦平面附近放置反射镜。系统在奈奎斯特空间频率60 lp·mm-1处，调制传递函数大于0.75，成像质量接近衍射极限，满足系统要求。     

太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计

在极紫外波段对太阳进行超光谱成像观测是研究太阳上层大气,日冕中等离子物理特性的重要手段。依据太阳极紫外成像光谱仪的应用,结合国内外极紫外成像光谱仪发展现状,制定了太阳极紫外成像光谱仪的性能指标。通过比较各种光学结构的优缺点,选择望远镜与光谱仪组合的结构。讨论并选择了可用的基本元器件,望远系统采用离轴抛物面反射镜,分光器件为高密度超环面等间距光栅。设计出符合指标的光学系统。最后给出了太阳极紫外成像光谱仪的设计过程、详细参数与结果。光学系统的工作波段为17.0～21.0nm,视场是1 228″×1 024″,空间分辨率达到0.8arcsec.pixel-1,光谱分辨率约为0.001 98nm.pixel-1,系统总长度约为2.8m。     

积分球光谱辐射度建模与实验分析

通过跟踪光束在积分球内的多次反射过程,建立了积分球出口辐出度与积分球结构参数的关系。依据积分球内置光源的能量转换关系,建立了积分球开口处光谱辐出度与内置光源参数及积分球自身结构参数之间的理论关系模型。此外,选用具体的积分球内置光源参数,利用建立的模型计算出积分球开口处光谱辐出度理论值,并用标定好的光谱仪对该模型进行了实验测量与不确定度分析。结果表明:在0.6μm~0.85μm波段范围内,该模型计算值与实验测量值相对误差均小于4%;由于光谱仪自身响应特性及标定光谱仪的黑体温度的影响,0.9μm处相对误差为8.65%。     

基于平板波导的小型红外光栅光谱仪光学设计

为实现红外光谱仪器的小型化,通过分析现有小型光谱仪,提出了一种基于平板波导的小型红外光栅光谱仪的设计方法。平板波导光谱仪的小型化原理与一般的微小型光谱仪不同。在平板波导光谱仪中,光束被限制在一层薄薄的平板波导介质中传播,看起来像是整个光学系统被压扁了。在垂直于平板波导的方向上光学元件的尺寸可以做到很小,从而显著减小光学系统的尺寸。该系统的设计可分为Czerny-Turner结构设计、波导结构设计。先根据像差理论设计Czerny-Turner结构,目标是保证光谱分辨率及校正像差;然后根据几何光学理论设计波导结构,包括平板波导和两个柱面透镜,目标是压缩光束并校正像散;最后将它们输入Zemax软件中进行综合优化,以获得最优的光学系统。据此方法设计了一个平板波导红外光栅光谱仪,工作波段为8~12 μm,数值孔径为0.22,采用线阵探测器。通过Zemax软件对结果进行分析和评价,表明仪器光学系统的尺寸为130 mm×125 mm×20 mm,工作波段内光谱分辨率达到80 nm,满足设计指标要求。证明了该优化设计方法是可行的,所得系统尺寸小、性能高。     

Czerny-Turner型光栅光谱仪光学系统优化设计

为提高光栅光谱仪分辨力,设计了基于球面反射物镜、工作波段范围500~800nm、焦长800mm的非对称式C-T型光栅光谱仪系统,给出了在消像差条件下系统中元件参数和结构尺寸的计算方法,运用光学设计软件Zemax对系统进行仿真分析与优化设计,研制了光谱仪样机。设计和实验结果表明,系统在工作光谱范围内的理论分辨力优于0.01nm、实际分辨力优于0.04nm,满足光谱测量需求;整个光学系统具有结构简单、元件数量少、成本低、分辨力高、稳定性好等优点。     

滤光片式双视场成像光谱仪光学系统设计

为了满足机载搜索与跟踪系统的实际使用要求,根据变焦系统的基本理论和成像光谱系统的特点,设计一个滤光片式双视场成像光谱仪光学系统实例。系统采用1/3英寸CCD接收,像元尺寸为6.0 m6.0 m。通过高斯法分析与求解得到初始结构,使用Zemax软件对其优化,实现0.45 m～0.7 m/0.6 m～0.95 m双波段清晰成像,通过轴向移动变倍组完成139.75/32.25双视场转换,在视场切换过程中,F数为5.6且恒定不变。设计结果表明:在各谱段下系统宽视场畸变3.5%,窄视场畸变0.2%,探测器的Nyquist频率50 lp/mm处光学传递函数的峰值均大于0.5,系统的最小后截距大于35 mm,用以安装滤光片轮,满足装配要求。     

基于AOTF成像光谱仪主动变焦前置光学系统设计

声光可调协滤波器（AOTF）成像光谱仪可同时获取探测目标的空间图像和光谱信息,具有体积小、质量轻、中心波长挑选灵活等优势。提出一种基于AOTF成像光谱仪组合变焦光学系统设计方案并完成了主动变焦前置光学系统仿真设计。该方案由主反式变焦前置系统和具有任意放大倍数的投影系统组成,可实现大变焦范围主动变焦成像。前置光学系统的初始结构由主反式变焦系统设计理论确定,利用同轴系统的离轴解和参数优化完成离轴三反远心结构的设计和系统像差校正,构建逐步逼近优化法实现主动连续变焦。在Code V中的仿真结果表明：前置变焦系统工作波段为0.5～1.7μm,变焦范围为260～520 mm,短焦处调制传递函数大于0.68@34 lp/mm,长焦处大于0.45@34 lp/mm,全场的均方根半径小于0.345μm,成像质量良好。     

轻小型短波红外自准直高光谱成像仪设计

随着搭载平台技术的不断进步,对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求,轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题,本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导,得到满足高光谱分辨率、小尺寸要求的自准直系统的初始结构,并逐步进行优化。同时,在狭缝处引入一块平面反射镜,对望远系统进行折叠,避免狭缝与探测器干涉,并进一步压缩系统的尺寸。最终设计的成像光谱仪工作波段为1610～1640 nm,F数优于3,在奈奎斯特频率为20 lp/mm时,调制传递函数（MTF）均优于0.8,全视场均方根半径（RMS）均小于7μm,光谱分辨率均优于0.1 nm。光学系统尺寸优于460 mm×150 mm×150 mm。本文研究为短波红外波段高光谱探测成像光谱仪实现轻量化、小型化设计提供了一定的理论基础。     

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。     

AOTF光谱相机前置变焦光学系统设计

基于声光可调谐（AOTF）光谱相机的技术指标和性能要求,采用机械正组补偿方式,实现了10可见光波段连续变焦光学系统的设计。详细介绍各组元的光焦度分配和初始结构的计算过程,并用Zemax光学软件进行设计,对设计结果进行了像质评价和像差分析,并对凸轮曲线进行求解。设计和分析结果表明:该系统在0.38 m~0.7 m波段实现了30 mm~300 mm连续变焦,在空间频率50 lp/mm处调制传递函数（MTF）值最大达到0.7。该系统可工作在可见光波段,具有变倍比大、变焦曲线平滑的特点,能够满足光谱相机的成像要求。     

基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计

为满足航天应用中仪器小型和轻量化、大视场的观测要求,通过分析现有Offner成像光谱仪,给出了一种简单的采用凸面光栅设计成像光谱仪的方法。并据此方法设计了一应用于400 km高度,波段范围为0.4~1 μm,焦距为720 mm,F数为5,全视场大小为4.3°的分视场成像光谱仪系统。分视场采用光纤将望远系统的细长像面连接到光谱仪的三个不同狭缝而实现。三狭缝光谱面共用一个像元数为1 024×1 024,像元大小18 μm×18 μm的CCD探测器。通过ZEMAX软件优化和公差分析后,系统在28 lp·mm-1处MTF优于0.62,光谱分辨率优于5 nm,地面分辨率小于10 m,能很好的满足大视场应用要求,该光学系统刈幅宽度相当于国内已研制成功的同类最好仪器的三倍。     

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。