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.     

Ultra-high resolution spectral domain optical coherence tomography using supercontinuum light source

An ultra-high resolution spectral domain optical coherence tomography (SD-OCT) was developed using a cost-effective supercontinuum laser. A spectral filter consists of a dispersive prism, a cylindrical lens and a right-angle prism was built to transmit the wavelengths in range 680–940 nm to the OCT system. The SD-OCT has achieved 1.9 μm axial resolution and the sensitivity was estimated to be 91.5 dB. A zero-crossing fringes matching method which maps the wavelengths to the pixel indices of the spectrometer was proposed for the OCT spectral calibration. A double sided foam tape as a static sample and the tip of a middle finger as a biological sample were measured by the OCT. The adhesive and the internal structure of the foam of the tape were successfully visualized in three dimensions. Sweat ducts was clearly observed in the OCT images at very high resolution. To the best of our knowledge, this is the first demonstration of ultra-high resolution visualization of sweat duct by OCT.     

棱镜分光光谱仪的光学系统设计与光谱特性计算

设计了离轴全球面成像光谱仪和离轴校正透镜棱镜分光成像光谱仪两种光学系统.在离轴全球面成像光谱仪的基础上,提出了改进型离轴校正透镜光谱仪,仅采用一个色散棱镜,避免了大口径同心透镜;有效校正了大视场像差,色散非线性修正效果显著.通过调节离轴角和光谱仪的焦距控制了畸变,补偿了与波长相关的狭缝弯曲,减小了残余像差,并降低了整个光谱仪工程实施的难度.从工程合理性、加工可实现性和光学性能等方面比较了两个系统的特点,推导和给出了光谱分辨率和狭缝弯曲的计算结果.从设计结果看,改进型离轴校正透镜光谱仪的传递函数最小值大于75％,而离轴全球面成像光谱仪的最小值只大于60％.从加工难易程度看,离轴全球面成像光谱仪采用一个接近Φ200 mm的石英透镜,其透射材料远不如改进型离轴校正透镜光谱仪透镜材料的均匀性和面形准确度高,而且大口径透镜大大增加了制备难度和成本.从工程布局看,改进型离轴校正透镜光谱仪充分考虑了与机械结构的匹配,狭缝与第一面反射镜的轴向距离较合理.从光谱特性看,两个光学系统的光谱分辨率结果基本接近,离轴全球面成像光谱仪光谱弯曲结果略好于离轴校正透镜结构.因此,综合比较得出离轴校正透镜光谱仪是最佳的选择方案,该系统可应用在短波红外波段的光谱成像的遥感探测.     

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。     

宽谱段共光轴线色散成像光谱仪三棱镜分光系统设计

针对棱镜型成像光谱仪结构复杂、具有严重的色散不均匀性,进行了共光轴线色散棱镜式宽谱段成像光谱仪研究。利用棱镜的色散公式建立了对称型三棱镜组合分光结构的数学模型,获得了满足直视结构的棱镜组合,并在此基础上分析影响棱镜组色散线性因素：棱镜材料的折射率和色散率对棱镜组线色散影响比较大,入射角度对其影响比较小,并提出改善色散线性的方法,获得了满足线色散要求的棱镜组合的折射率条件,从而为共光轴结构的线色散棱镜式成像光谱仪初始结构的选择提供了重要理论依据。在工作波段为400~1 000 nm、中心波长偏向角为0°、最大色散角为0.6°、光谱仪系统数值孔径NA为0.18、光谱分辨率为5 nm条件下,实现共光轴三棱镜分光系统的线色散设计,最后利用ZEMAX进行了模拟分析表明,理论计算结果与实际仿真结果基本相符。     

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%。     

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.     

基于声光可调谐滤光器的显微光谱成像技术

为了解决传统声光可调谐滤光器(AOTF)成像模糊的缺点,设计了一种新的AOTF。该器件通过在传统的AOTF的出射孔后面放置一个自行设计的等边色散棱镜来实现对衍射光的色散展宽进行补偿,明显地提高了成像的对比度和空间分辨率。将此器件附加在传统光学显微镜上,获得了一种新型的光谱显微成像仪器。其光谱分辨率在575nm波长处为4.2nm、成像空间分辨率为2μm、图像采集速度为毫秒量级。为基于AOTF的光谱成像技术在生物医学等领域的更广泛的应用奠定了基础。     

基于离轴两反利特罗结构的棱镜高光谱成像系统的光学设计

为满足高光谱成像系统高空间分辨率和高光谱分辨率的要求,并应对实际应用中对仪器小型化、轻量化、高光学效率的新需求,研究一种基于利特罗结构的棱镜色散高光谱成像系统,采用离轴两反的利特罗结构形式减小光学系统的体积,同时为平面棱镜提供准直光路,并以宏编程的优化方式,避免系统中光路干涉。结果表明,通过非球面反射镜和双校正透镜的设计,该光学成像系统的谱线弯曲均小于2.1 μm,色畸变小于1.3 μm,控制在18%像元内,在400～1 080 nm可见—近红外(VNIR)工作波段的光学调制传递函数(MTF)均达到0.9以上,光谱分辨率为1.6～5.0 nm,光谱透过率在51.5%以上,系统在整个工作光谱范围都具有较高的透过率和像质。     

光谱共焦测量系统中的色散透镜组设计

光谱共焦位移测量系统具有精度高、质量轻、体积小和灵敏高等优点,可以实现在各种极端情况下的微位移测量。在光谱共焦测量系统中色散透镜组的色散特性决定了整个测量系统的性能。对色散透镜组的测量需求进行了分析,提出了详细的设计指标,基于折射、衍射两种方法对透镜组进行了设计和优化,给出了设计结果。色散透镜组的色散范围为2.2mm,光谱范围为500～700nm,线性度较好。利用分辨率为0.5nm的光谱仪接收光谱信息,理论上精度优于2μm。     

Combined optical dispersion by prism and arrayed waveguide grating with multiple diffraction orders for Raman spectrometer

A compact dispersive device for Raman spectrometer was proposed to achieve a spectrum resolution below 0.55 nm in the spectral range of 800 to 1000 nm. A 41-channel arrayed waveguide grating (AWG) with eleven different diffraction orders was designed, and each output channel of this AWG contained eleven light signals with periodically 20 nm spaced wavelength. These signals were further cross-dispersed by a prism, and finally form a 41 × 11 spots array on a CCD. The detailed theoretical analysis and simulation of this dispersive device were introduced in this paper. Compared with commercial dispersive modules composed of grating, lens, and mirrors, the proposed structure is able to provide a compact device with higher spectrum resolution, which is attractive for handheld Raman spectrometer.     

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。     

Optical path difference evaluation of the polarization interference imaging spectrometer

The optical path difference (OPD) of the static polarization interference imaging spectrometer and wide-field-of-view polarization interference imaging spectrometer are calculated and analyzed, simultaneously. The analysis results show that the actual total OPD contains two parts, the Savart polariscope introduces the first part, and the second part is introduced when imaging lens reunites two beams in its focal plane. Since the first part OPD accounts for about half of the actual total OPD, it has influences on the resulting spectrum and thus cannot be neglected. The influences of the uniaxial crystal dispersion on the OPD and resulting spectrum are analyzed, and the results show that the OPD decreased with the wavelength, the spectral resolution increased with the wavelength. There are no fixed spectral resolution over the entire detection spectral region, and the spectral resolution would become worse with the increase of the wavelength.     

基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪设计

设计一种以Wollaston棱镜为分光元件的图像复分快照式成像光谱系统,主要包括前置望远物镜、准直镜、Wollaston棱镜组、成像镜和补偿滤光片。此类光学系统可以一次曝光获取同一目标景物在不同波长下的二维信息。光束经过Wollaston棱镜组分光,为了使不同波长对应景物不至于重叠,要求分束角度比较大,这样进入成像镜的光线入射角度相对较大,无疑增加了成像镜的设计难度。分析了基于Wollaston棱镜的图像复分快照式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。全系统结构复杂,光学系统的光阑必须匹配好。为了使得不仅单个镜头成像质量良好,而且镜组之间能够良好的衔接,将前置望远物镜设计为像方远心结构,准直镜设计为物方远心结构。全系统采用多重结构,使得16个谱段在56线对处的MTF值均接近衍射极限,点列图中RMS值基本都在艾里斑以内,系统成像质量良好。     

Sagnac棱镜角公差与干涉光谱仪光谱分辨率的关系分析

根据干涉成像光谱仪光谱分辨率对角向差的要求,通过对实体Sagnac干涉仪结构和光路进行分析,从三个相互垂直的方向出发,研究了光谱分辨率和棱镜角公差之间存在的关系;并推导了满足光谱仪光谱分辨率要求的实体Sagnac干涉棱镜的角公差公式;用实例说明了关系式的应用方法,如果不考虑棱镜变形引起的色散及棱镜的面型误差和付氏镜的残余像差的影响,而只考虑棱镜的角误差对光谱分辨率的影响,则通常情况下干涉棱镜的角公差要求较严,约20″以内.     

宽光谱棱镜型太阳光谱仪设计

为实现大气层外太阳光谱辐照度(SSI)变化的长期例行监测,设计了一种星载宽光谱太阳光谱仪结构。全系统仅使用单片折反式曲面棱镜实现太阳光谱250～2500 nm的分光,并通过棱镜转动实现谱平面上多探测器的同步扫描探测;同时基于Huygens子波点扩展函数（PSF）仿真了光谱仪的光谱响应函数（SRF）和光谱分辨率。分光棱镜在±2.5°扫描转角内的全谱段子午像差小于8μm;光谱分辨率在紫外谱段(250～400 nm)为0.7～3.5 nm,可见/近红外谱段(400～1000 nm)为3.5～35.0 nm,短波红外谱段(1000～2500 nm)内为28.5～41.2 nm。整个系统结构简单紧凑,性能稳定可靠,分光和像差校正能力满足大气层外太阳光谱辐照度长期监测需求。     

Design of liquid-glass achromatic zoom lens

Optical liquids are ideal materials for designing apochromatic lens due to their lower refractive index and higher Abbe numbers than those of the ordinary optical glasses. Based on the Buchdahl dispersion formula, the dispersion coefficient diagram of liquids and glasses is established. The liquid-glass combination lens(LGCL) with small secondary spectrum is obtained by calculating the combination structure with low dispersion liquid and glasses. The initial optical structure of the liquid-glass apochromatic lens(LGAL) can be obtained by replacing two glass lenses in an initial optical system with the LGCL. Using the multi-configuration optimization of ZEMAX, the liquid-glass achromatic zoom lens (LGAZL) can be designed by optimizing the LGAL. The LGAZL has an objective field of view ?63 mm–?57 mm, an image field of view 8 mm, a working distance 240 mm and the zoom range of focal length 75–85 mm. The chromatic aberration and the secondary spectrum of the LGAZL are all less than 3 μm in the whole zoom range.     

Fourier domain optical coherence tomography with a linear-in-wavenumber spectrometer

We describe Fourier domain optical coherence tomography equipped with a novel linear-in-wavenumber spectrometer. The presented device linearizes the spectral dispersion of the spectrometer in wavenumber using a specifically designed prism. The spectral linearity in wavenumber makes numerical interpolation into wavenumber unnecessary, reduces computing time, and furthermore results in improvement of the falloff of signal with image range inherent to frequency-domain optical coherence tomography imaging. Experiments demonstrate the improvement of the falloff and agree with the expected results from simulation.     

一种组件透射式成像光谱仪设计

针对反射式成像光谱系统普遍存在多次反射(和衍射)产生杂散光和装调难度大等问题,设计了一种高性能透射式系统,全部使用通用光学组件,简化了系统结构,降低了成本和装调难度,较传统成像光谱仪有更广的适用范围。该设计中全部部件都非定制,可以根据应用场合更换,具有较好的灵活性,采用透射的方式,减少了杂散光的影响。利用ZEMAX软件仿真、优化了搭配两组不同物镜的系统光路,对畸变、MTF、色差等性能进行测试。对比25和50 mm物镜的系统性能,发现望远镜头的更换对整个系统成像质量的影响不大。参照设计参数成功搭建出一台成像光谱仪,其中望远物镜采用准对称双高斯结构,有利于控制场曲和畸变;采用透射式平面衍射光栅作为分光器件,制作工艺成熟,无需定制,装调简单。光谱分辨率和畸变测试结果显示该系统拥有良好的畸变控制能力,光谱分辨率达到2 nm,满足设计要求,利用标定后的系统测得的氘灯光谱取得了较为理想的结果。     

基于最优化线性波数光谱仪的谱域光学相干层析成像系统

相比传统光谱仪,基于线性波数光谱仪的谱域光学相干层析(OCT)无需对非线性波数干涉光谱数据进行重采样和插值,可大大减少数据计算量并提高成像灵敏度.通过模拟计算干涉光谱信号和点扩散函数,以点扩散函数半峰全宽值的倒数作为评价准则,可以优化包括色散棱镜材料的折射率、顶角角度以及衍射光栅和色散棱镜之间旋转角角度的线性波数光谱仪的结构参数.根据优化结果,实验中选用F2玻璃等边色散棱镜,以光栅-棱镜间旋转角角度为21.8°搭建了最优化线性波数光谱仪,并引入谱域OCT成像系统.实验测得成像系统的轴向分辨率达到8.52μm,灵敏度达到91 dB,6 dB成像深度达到1.2 mm.结合具有通用并行计算能力的图形处理卡,在无需重采样和插值的情况下可实时处理和显示人手指指甲皮肤接缝处的横断面OCT图像,验证了基于最优化线性波数光谱仪的谱域OCT系统的成像性能.