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。     

机载大视场高光谱成像系统设计

为适应机载高光谱成像系统的发展需要,设计了一种机载大视场高光谱成像系统。前置望远系统为大视场宽谱段透射式系统,高光谱成像仪为基于Offner次镜的改正型Féry棱镜中继系统。系统设计过程中两次使用Zemax多重组态设计;尝试将Offner次镜的改正型Féry棱镜设计为高光谱成像仪;将Féry棱镜高光谱成像仪集成为高光谱成像系统进行一体化系统分析。该设计在结构和设计方法上均有改进。设计的大视场可见近红外高光谱成像系统视场可达28°,机载载荷高度为5km时,全系统的刈幅宽度为2.493km,地面分辨率可达0.6m。左半视场和右半视场全谱段调制传递函数均大于0.6,最大谱线弯曲和谱带弯曲不到0.2pixel,成像质量接近衍射极限。     

非共面Offner结构高分辨率成像光谱仪设计

Offner成像光谱仪在大色散需求下成像质量不足并且易发生光线遮挡,为此设计了一种基于罗兰圆条件的非共面Offner结构光谱仪。分析并推导出了一种非共面Offner结构成像光谱仪的消除像散及彗差同时解决光线遮挡的设计方法。使用该方法设计出光谱范围为350~1000 nm,色散宽度为12.6 mm的成像光谱仪。在奈奎斯特频率(30 lp/mm)下其调制传递函数在全视场、全光谱范围优于0.78,点列图均方根半径优于4μm,同时,系统的谱线弯曲及谱带弯曲均小于1%像元尺寸。最后,将非共面Offner结构成像光谱仪与传统Offner结构进行对比,结果表明,在高光谱分辨率需求下,当入射狭缝较小时,非共面Offner结构光谱仪具有更好的成像质量,并且在谱线弯曲及谱带弯曲的控制上具有优势,可用于小体积高光谱分辨率成像光谱仪器设计。     

宽视场航空高光谱成像仪光学系统设计

宽视场大相对孔径航空高光谱成像仪已成为航空海洋水色遥感等领域的迫切需求,根据宽视场和大相对孔径的研究目标,采用离轴两镜消像散望远镜和改进型Offner光谱仪匹配的结构型式,设计了一个视场40°、相对孔径1/2.2、工作波段0.4~1.0μm的航空高光谱成像仪光学系统,在传统Offner光谱仪中插入同心弯月透镜来提高Offner光谱仪的相对孔径和成像质量.运用光学设计软件ZEMAX对高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结构进行了分析.结果表明:光学系统各个波长的光学传递函数在奈奎斯特频率28lp/mm处均达到0.67以上,谱线弯曲和谱带弯曲均小于6.5%像元,便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且体积小、重量轻,适合航空遥感应用.     

消像散的自由曲面棱镜光谱仪光学系统设计

本文根据像差理论,开发了一种计算次镜外反射的Offner型自由曲面棱镜光谱仪初始结构的算法。通过光线追迹获得光线在次镜外反射Offner型光谱仪各光学表面传播的公式,该公式可以确定光学元件的结构参数。应用轴外细光束像散理论分析系统产生的像散,并设定合理阈值作为结构算法的判断依据。在Matlab中迭代优化出符合设计要求的初始结构,使用Zemax软件对获得的初始结构进行优化。为验证算法效果,本文设计了光谱范围为380～780 nm,数值孔径为0.15,光谱分辨率为6 nm的自由曲面棱镜光谱仪的初始结构。在Zemax中完成优化后系统可达到设计指标且谱线弯曲和色畸变均优于0.1 pixels。设计结果表明采用本文算法可以快速计算出符合要求的初始结构,大大简化了后续优化的复杂程度。     

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。     

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.     

棱镜-光栅组合色散型超光谱成像系统的优化设计

大视场、超光谱分辨率、高空间分辨是光谱成像仪的发展方向,谱线弯曲和色畸变的抑制则是二维谱图信息准确提取的前提。提出了一种棱镜-光栅光谱成像结构形式,并采用矢量方法构建了棱镜-光栅组合色散元件的数学模型,优化了分光模块的结构参数,基于此组合色散元件设计了一个具有近直视光路结构的超光谱成像仪光学系统。该系统光谱范围为400~800nm,入射狭缝长为14mm,F数为2.4,其光谱分辨率达0.5nm,调制传递函数(MTF)在探测器奈奎斯特频率68lp/mm处均大于0.7,谱线弯曲和色畸变均小于1μm,低于单个像素的13.5%。     

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.     

分析双Amici棱镜角度误差对色散的影响

双Amici棱镜为复合棱镜结构,作为成像光谱系统中的分光元件,避免了单棱镜色散结构存在的多种问题。双Amici棱镜的加工生产要对其各个角度提出生产指标,而角度误差对于光谱成像系统的色散性是有影响的。针对一种编码孔径成像光谱仪,设计了符合性能指标要求的双Amici棱镜,并从光线追迹的角度出发,计算得到双Amici棱镜色散的数学模型。针对给出的一特定光学系统中的棱镜结构推导了棱镜各个角度单独对线色散的影响,并分析给出各个角度构成的误差链对线色散的综合影响,最终给出了棱镜的生产指标。分析结果有助于指导系统中该棱镜的加工生产。     

小型Offner凸光栅光谱成像系统的结构设计及分析

根据小型Offner凸光栅光谱成像仪光学系统的特点,对其反射镜支撑结构和桁架结构进行了研究,完成了小型Offner光谱成像系统的结构设计,建立了系统的3D实体模型。为了验证结构设计的合理性,对设计的3D模型进行有限元分析。在模态分析中得到该结构的第一阶固有频率为362 Hz,高于系统设计要求的120 Hz;在加速度及温度载荷分析中,得到主要光学元件的面形值以及它们之间的相对位置变化,其离轴及偏角均在允许公差范围内,说明结构刚度满足使用要求,证明了结构设计的合理性。     

小型Offner凸光栅光谱成像系统的结构设计及分析

根据小型Offner凸光栅光谱成像仪光学系统的特点,对其反射镜支撑结构和桁架结构进行了研究,完成了小型Offner光谱成像系统的结构设计,建立了系统的3D实体模型。为了验证结构设计的合理性,对设计的3D模型进行有限元分析。在模态分析中得到该结构的第一阶固有频率为362 Hz,高于系统设计要求的120 Hz;在加速度及温度载荷分析中,得到主要光学元件的面形值以及它们之间的相对位置变化,其离轴及偏角均在允许公差范围内,说明结构刚度满足使用要求,证明了结构设计的合理性。     

All-reflective snapshot hyperspectral imager for ultraviolet and infrared applications

Snapshot hyperspectral imaging simultaneously acquires spatial and spectral information about a scene. We report on the first, to our knowledge, all-reflective snapshot hyperspectral imager in the form of a computed tomography imaging spectrometer (CTIS). The reflective design allows for instrument simplicity for applications in the ultraviolet and infrared. To realize a CTIS in a reflective Offner configuration, a reflective two-dimensional computer-generated hologram grating is fabricated on a convex spherical substrate by direct-write electron-beam lithography. Furthermore, a reconfigurable reflective field stop is implemented with a micromirror array to provide high-contrast spatial-spectral filtering, region-of-interest selection, and spatial structure formation.     

星载超光谱成像技术发展与展望

超光谱成像技术由于能够同时获取目标的空间信息和光谱信息,显著提高了空间遥感技术对地物的探测和识别能力,在对地观测和深空探测领域具有广阔的应用前景。总结了星载超光谱成像技术近三十年来的国内外研究现状,对国内外典型超光谱成像仪的技术指标、技术特点和应用领域进行了论述。分析结果表明：高空间分辨率、高光谱分辨率是超光谱成像技术未来的发展趋势,offner光栅色散型超光谱成像仪是一个重要的发展方向。     

空心阴极元素灯光谱的空间分布测量方法

提出利用成像光谱仪研究空心阴极元素灯光谱空间分布的检测方法。自制了基于Offner成像系统的推扫式凸面光栅成像光谱仪,覆盖波长范围400~1 000 nm,视场角22°,光谱分辨率2~3 nm;利用该光谱仪第一次得到得到Hg元素灯光谱的空间分布,给出了不同波长下的空间图像和不同空间位置的光谱分布信息,具有较高的空间分辨率和光谱分辨率;并同时获取了不同工作电流条件下的元素灯高光谱数据,对比分析了处于不同工作状态下光谱空间分布的差异。这为空心阴极元素灯光谱的空间分布等性能研究提供了一个很好的工具,相关方法也可以用来研究其他类型的光源。     

基于二次成像的像面干涉高光谱成像方法

像面干涉高光谱成像技术主要应用于遥感成像领域,为了实现不同距离目标的光谱成像探测,提出了一种基于二次成像的像面干涉高光谱成像方法。通过在无限远成像系统中加入前端成像物镜、中继准直物镜和横向剪切分束器,构建一个二次成像的干涉系统。通过采用分离式的前端成像物镜方案,选用变焦镜头或不同焦距的定焦镜头,有效地兼顾远、近距离目标的成像光谱探测。对该方法的成像系统、光谱分辨率和推扫方式等方面进行了分析,进一步搭建了实验装置,对室内近场目标和室外远场目标进行了成像实验,并对生物组织进行了显微光谱干涉成像实验。实验结果表明,该成像方法能够有效用于不同距离目标的高光谱成像探测。     

基于光谱吸收靶标的成像光谱仪光谱定标方法研究

中心波长和带宽是影响成像光谱仪数据定量化应用水平的两个重要光谱性能参数。针对覆盖光谱范围较窄的可见光与近红外波段成像光谱仪,提出了一种利用人工光谱吸收靶标进行光谱定标的方法,论证和建立光谱吸收靶标光谱定标方法的数学模型。在同一环境下利用成像光谱仪和ASD光谱仪对地面光谱吸收靶标进行准同步光谱测量,并进行反射率计算,然后通过光谱匹配计算中心波长偏移量和带宽变化量。利用该方法对设计带宽为6 nm的可见光与近红外波段的成像光谱仪进行了地面定标实验。实验结果表明,该方法能够作为外场光谱定标的辅助手段,提高成像光谱仪的定量化应用水平。     

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%。     

Hyperspectral opportunities with next-generation QSIP arrays

Hyperspectral applications that employ gratings typically exploit only one grating order, since other orders that emerge from the grating at the same angle of dispersion would corrupt the spectrum measured with conventional FPAs. Previously, dualband infrared focal plane arrays (FPA), developed for multi-spectral imaging applications, have demonstrated advantages over conventional multi-FPA sensor configurations in compactness and band-to-band pixel registration. In addition, dualband and multiband FPA architectures of Quantum Structure Infrared Photodetector (QSIP) technology would enable applications beyond simple multi-spectral imaging. For example, In the case of dual- (or multi-) waveband FPAs, the different grating orders can be paired with the FPA wavebands, allowing high efficiency hyperspectral imaging over very broad wavelength regions. Exploiting the “third dimension” of FPA detecting layers for this type of hyperspectral application has been demonstrated previously. As time progresses, multi-waveband FPAs are expected to provide an increase in spectral information at the pixel level without the need for external (e.g. dispersive) optical elements. As the number of wavebands increases to the point of providing spectral overlap of adjacent spectral resolution elements, hyperspectral capability is then achieved by the FPA acting alone. This technology may someday become possible through advanced QSIP architectures having photons of different wavelength continuously absorbed at different depths, and their resulting photocurrents isolated with a vertical grid of contacts or an equivalent mechanism for transporting depth-dependent signal photocurrent to a read-out circuit unit cell.