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...     

基于倾斜场镜的C-T成像光谱仪优化设计

残留谱线弯曲限制了切尔尼-特纳平面光栅光谱仪在成像光谱仪中的应用.本文不同于传统的基于棱镜的光栅谱线弯曲补偿方法,提出了基于倾斜场镜的补偿方法,即在校正场曲的同时对入射到场镜不同区域,不同波长的狭缝像分别进行谱线弯曲校正,且没有改变系统的其它光学特性.对狭缝大小为7.8mm×0.016mm、光谱范围0.31~0.5μm、光谱分辨率0.4nm、物方焦距70mm、1∶1放大倍率的切尔尼-特纳成像光谱仪进行了优化设计,结果全谱段、全视场MTF0.8,点列图RMS半径小于9μm,相对谱线弯曲小于0.2%,满足设计要求.实际设计表明该方法对于可选用光学玻璃有限,且能量较弱的紫外光学系统是一种可选的优化设计方法.     

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。     

光谱仪中球面聚焦反射镜和凹面全息光栅像差互补的一体化设计

为了兼顾光源聚焦镜引入的像差对光谱仪器分辨率和信噪比的影响,提出了消像差凹面全息光栅和聚焦反射镜一体化设计方法。建立了包含聚焦镜和凹面全息光栅的像差分析物理模型,推导了像差系数表达式,构造了像差校正目标函数,经优化得到设计结果。在一体化设计中,针对臂长为170.3mm、基底曲率半径为170.2mm的单色仪光栅,通过反向增大全息光栅像散项,补偿聚焦镜引入的轴外像差。与传统设计方法相比,该方法的像面点列图的均方根尺寸在子午方向由86μm减小到81μm,弧矢方向由765μm减小到167μm,提高了系统的消像差能力,为凹面光栅光谱仪器的光学系统设计提供了新的思路。     

零像散宽波段平场全息凹面光栅的优化设计

平场全息凹面光栅的理想像面应为一平面,此时子午焦线与弧矢焦线均位于像面内且彼此重合,形成接近理想像点的光谱像。但子午焦线总是存在弯曲,只有弧矢焦线在满足一定条件的情况下可以成为直线。鉴于此,提出一种满足平场弧矢焦线条件的平场全息凹面光栅设计方法。利用光学设计软件ZEMAX研究了运用此方法设计的零像散光栅的成像特性,并与原有设计方法得到的结果进行比较。模拟结果显示,满足平场弧矢焦线条件的光栅能够达到与原有方法所设计光栅相当的光谱分辨率,而其全波段零像散特性使其拥有更加出色的弧矢方向聚焦性能,显著提高平场光谱仪的信噪比。     

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。     

Offner型成像光谱仪波长使用范围和光谱分辨率研究

研究了Offner型成像光谱仪消像差结构的参量和性能.用几何法推导出Offner型成像光谱仪的波长使用范围、系统线色散以及光谱分辨率的计算公式;在理想像差条件下,分析了Offner型成像光谱仪光谱分辨率与入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率和探测器像元尺寸各个因素之间的关系;探讨了提高光谱分辨率采用的方法和技术,解决了光谱仪的各个参量和光谱分辨率之间的矛盾.研究表明:当系统像差很小可忽略时,通过减小狭缝宽度,有利于提高光谱分辨率;Offner型成像光谱仪的分辨率由入射狭缝宽度、光栅和CCD像元尺寸三者中分辨本领最低的参量确定.     

用于近红外光谱仪的平场全息凹面光栅的模拟与设计

针对近红外光谱分析属于微弱信号与多元信息处理的特点,基于全息凹面光栅理论,采用光学设计软件CODE V,从初始结构出发,利用软件强大的全局优化功能,设计出一种用于近红外光谱仪的平场全息凹面光栅,成功地减小了像 差,解决了宽光谱、窄谱面展宽的矛盾,并充分利用了光谱信息,是一种高效率的分光光学系统结构。利用CODE V软件,不需要求解复杂的高级像差方程,能对结果进行迅速评价,并可在设计中同时兼顾平场和提高分辨率的要求,极大地 提高了工作效率。最后,给出了实例,设计出的全息凹面光栅工作波长范围为900～1700 nm、直径ф=25 mm、F/#=1.5,对设计结果分析表明：在宽度为50 μm缝光源再现情况下,理论分辨率优于6.3 nm。     

二维消像差平面场型凹面光栅的设计与成像分析

给出了二维消像差平面场型凹面光栅的一般设计方法，推导了三点消像差光栅的成像条件，分析了平面场型光栅的成像质量与色散、分辨率及光栅宽度的关系。     

改进Offner型凸面光栅光谱辐射定标光学系统设计

针对数字可调光源输出能量较低的问题,提出一种改进型Offner凸面光栅光谱辐射定标光源光学系统的设计方法。基于光线追迹原理,理论推导Offner型光谱成像结构狭缝和像散的关系,利用双柱面透镜对Offner型光谱成像系统大狭缝下的残余像散进行补偿。使用所提方法设计了光谱范围为500～800 nm,狭缝长度为0.4 mm的传统Offner光谱成像系统和狭缝长度为8 mm改进型Offner光谱成像系统。结果表明:改进型Offner光谱成像系统具有良好的成像质量,全视场点列图方均根(RMS)半径小于8.1μm;系统沿Y方向RMS半径小于6.7μm,在一个像元尺寸内;谱线弯曲为单像元尺寸6.2%、色畸变为单像元尺寸5.8%,消除了谱线重叠和谱线偏移现象。设计方法对提高遥感仪器的光谱辐射定标精度具有一定的研究意义和工程价值。     

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。     

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。     

光谱仪用平场凹面光栅的凸面母光栅的消像差设计思路

平场全息凹面光栅是光谱仪中的核心元件之一,其成像质量和衍射效率直接影响了光谱仪的分辨率和光能利用率。利用凸面母光栅复制制作凹面光栅,便于在凸面基底上进行离子束刻蚀以获得高的衍射效率。为了保证复制的凹面光栅具有高的成像质量,文章提出一种全息凸面光刻胶光栅的消像差设计方法,优化中考虑了凸面基底对记录光束的折射效应以及由基底折射率所引入的附加光程。通过将“光程函数级数展开法”和ZEMAX光学设计软件相结合,采用粗精两步优化的方法,显著提高了优化的效率和成功率。ZEMAX对比仿真结果显示,复制得到的凹面光栅与传统直接采用全息法制作的凹面光栅的成像质量是相当的。     

曲率半径误差对平场全息凹面光栅分辨率的影响及其补偿方法

在平场凹面全息光栅的没计制作中,不可避免的存在曲率半径误差,严重影响光栅光谱仪的分辨率.为了从理论上分析并指导光谱仪器的设计和装调,运用几何光线追迹方法计算并分析了不同曲率半径误差下光谱像宽度的变化规律,发现在一个较大的误差范围内子午焦线的位置随着曲率半径的变化前后平移,同时其弯曲程度几乎没有改变.数值计算发现通过调整像面位置或人臂长度均能够补偿曲率半径的误差.数值模拟结果显示,修正使用结构后的光栅能够达到与设计结果相近的成像质量.     

太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计与分析

针对太阳极紫外成像光谱仪的应用目的与工作环境,设计了一种太阳极紫外成像光谱仪的光学系统.该系统由望远系统、狭缝、光栅与探测器组成.望远系统采用离轴WolterⅡ型结构,入射光掠入射进入系统,具有光谱范围宽、稳定性高、克服恶劣空间环境能力强等优点.扫描镜采用平面反射镜,成像质量不随扫描角的改变而改变.分光光栅采用超环面3 600lines/mm变间距光栅,与超环面等间距光栅相比,具有成像质量高、光谱分辨率高、缩短系统长度的优势.工作波段为17.0～21.0nm,可满足探索温度在5.8≤log T≤6.3区间的宁静日冕的需要.视场为1 228″×2 400″,空间分辨率达到0.8arc second/pixel,光谱分辨率约为0.001 98nm/pixel,总长度不超过2.5m.计算了望远系统的理论有效面积,给出了望远系统的成像质量与实际的视场.系统整体的成像质量、光栅的谱线弯曲与谱带弯曲,均满足实际应用要求.     

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。     

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。     

计算全息位相补偿法制作全息凹面光栅的设计与实验

本文提出了一种新的方法,用计算全息图作为位相补偿元件,对光学系统中的一束平行光进行调制来制作全息凹面光栅.比较了这一方法的优越性,并提供了设计小象差凹面光栅的一种方案,推导了计算全息图补偿器的数学表达式,设计并制作了6001/mm的Ⅲ型全息凹面光栅,介绍了实验光路及试验验证结果.     

扫描平场全息凹面光栅

从全息凹面光栅像差理论出发,考虑到扫描平场光谱仪的结构特点,推广全息凹面光栅优化设计的基本方程使之适用于扫描平场全息凹面光栅(SFHCG),且用在光栅扫描角范围内和在谱面上取点求和来代替复杂的积分运算,简化设计程序。给出一消像散SFHCG的设计实例和用这块光栅所做的实验结果。