星载光栅色散型光谱仪消偏器的设计与分析

为了保证成像测量结果的相对准确性,需要消除光谱仪中光学器件的偏振响应,加入消偏器是一种常用的消偏方法。由于成像光谱仪探测性能的要求,不仅需要消偏器在光谱仪的响应波段内具有良好的消偏效果,还要求消偏器应尽可能小地影响光谱仪的成像质量;对大气遥感探测星载双楔角临边成像光谱仪中的消偏器进行研究,通过积分的方式对消偏器的楔角进行计算分析,通过MATLAB的优化仿真确定了影响消偏器性能的参数,并对其进行了相关的误差分析。     

天基平台宽谱段成像光学系统设计北大核心CSCD

针对用于地球静止轨道卫星的遥感面阵快照式成像光谱仪传输数据量过大引起的数据传输困难、信号采集处理时间长的问题,利用地球静止轨道平台可以长期驻留固定区域上空的特点,提出采用压缩感知的大口径宽谱段快照式光谱仪方案,对其光学系统结构进行设计,并对相关参数进行了计算。物镜采用同轴三反式无焦系统,用分色片对系统分光,经过对各系统进行优化处理,最终获得了幅宽为400 km×400 km,可见光地面像元分辨率为50 m、中波红外地面像元分辨率为400 m、长波红外地面像元分辨率为625 m的光学系统。该设计中,可见光路在78.125 lp/mm的MTF高于0.455,中波红外的光谱分辨率为光路在33.3 lp/mm处的MTF高于0.518,长波红外光路在20.8 lp/mm处的MTF高于0.498;可见光光谱分辨率为20 nm、中波红外的光谱分辨率为50 nm、长波红外的光谱分辨率为150 nm;可见光路二级光谱小于0.05 mm,设计结果具有良好的成像质量,各部分光学系统成像质量接近衍射极限,设计结果满足应用和指标需求。     

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。     

宽谱段近红外星敏感器光学系统的设计

近红外波段测星已成为星敏感器的重点发展方向之一,针对近红外星敏感器使用波段宽的特点,依据消二级光谱理论中可行的两种消二级光谱方法,采用选取相对部分色散系数相同或接近、色散系数相差较大的玻璃组合的方法对近红外星敏感器光学系统进行设计。设计了一组工作波长为900 nm ~1 700 nm,F数为1.5,焦距为150 mm的光学镜头,该镜头在宽光谱范围内实现了二级光谱的校正,在空间频率等于32 lp/mm时各视场MTF均大于0.65,使系统具有良好的像质,能够满足近红外波段的测星要求。     

小型化宽谱段星敏感器光学系统设计

星敏感器是航天飞行器实现姿态自主导航的关键测量设备,传统星敏感器由于体积与质量较大,难以满足微纳卫星的应用需求,光学系统是星敏感器小型化的核心及瓶颈技术.分析了实现全天恒星识别的星敏感器光学系统参数需求,完成一种基于全球面透镜的微小型宽谱段透射式光学系统设计,实现了光学系统焦距40 mm,视场角26.4°,相对孔径F/...     

星载光栅光谱仪消偏器性能研究

星载光栅光谱仪中的光栅有着强烈的偏振响应。为了保证光谱仪测定的光谱分布的准确性,必须在光辐射进入仪器光谱测量部分之前就消去光辐射的偏振。应用矩阵光学推导出了这种紫外石英消偏器的残余偏振度,并得到影响其消偏性能的几个因素。建立了一套测试系统,在300-360nm波段上对其消偏性能进行了研究,得出入射光经过紫外石英消偏器后的残余偏振度变化范围1.2%-5.7%。与理论推导有较好的一致性。并按照国际通用不确定度评估规范,对测量结果进行不确定度分析和评估,组合不确定度小于1.8%。     

宽谱段光学系统消二级光谱的设计

利用修正的部分色散(P)和阿贝数(V)公式,计算一些典型的普通光学玻璃在450nm～950nm波段的色散特性,应用二级光谱理论,采用普通光学材料,设计了一个复消色差系统,分析近红外波段光学系统的二级光谱特性及校正方法,给出设计实例。设计结果表明:在可见光近红外波段,采用重冕玻璃ZK4、ZK8和特种火石玻璃TF3组合实现了二级光谱色差的校正,即从理论的0.18mm减少到0.084mm,证明该系统有较好的消色差能力,并且具有较长的后截距,为安装像移补偿反射镜提供了方便。     

宽谱段一体化AOTF成像光谱仪光学系统设计

声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪能够同时获取图像、光谱及偏振信息,已成功应用于航天、农业、林业、医学及食品安全等领域,具有较好的发展前景.光学系统是AOTF成像光谱仪获取信息的关键部件之一.为此,研究国内外常见的AOTF成像光谱仪光学系统,介绍AOTF的工作原理及光谱仪的总体设计方案,计算全系统的前置、准直及成像...     

干涉成像光谱仪中宽谱段傅氏光学系统设计

设计了一种宽谱段前置光孔远心光学系统,其孔径光阑位于透镜组的焦面上,该设计集宽谱段自动复消色差、长工作距、前置光孔及远心等特点于一体. 讨论了这样一种特殊光组的设计. 选用国产牌号的光学玻璃配对,价格低廉且在校正色差后,自动校正宽谱段二级光谱,并实现了透镜组两侧同时具有长工作距. 设计结果表明,光学系统的残余二级光谱很容易控制在千分之一焦距以内,波面平行差小于0.000 22弧度.     

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。     

基于Lyot型光纤消偏器特性的研究

在对Lyot型光纤消偏器的特性进行系统的理论分析的基础上，首次推导出并讨论了其偏振度与相应变量之间的函数关系。实际制作了偏振度为2．0％的Lyot型光纤消偏器，并由此验证了理论分析结果。     

宽谱段红外消热差光学系统设计

宽谱段红外光学系统可以获取宽谱段的图像信息并增大目标信息获取程度。从红外光学系统的简洁性出发,对红外光学系统进行设计,系统仅由4片球面透镜组成,实现了4.4 m~8.8 m波段清晰成像, F#为2.68,达到了100%的冷光阑效应。采用被动消热差方式通过合理选择镜片材料及公式推导最终实现了各个波段内的消热差,镜筒材料为钛合金,透镜采用硒化锌（ZnSe）,锗（Ge）及硫化锌（ZnS）材料,给出20 lp/mm处系统在各个波段在-40 ℃~60 ℃的工作温度下的调制传递函数（MTF）,以及各个波段下的光学系统畸变值。实验结果表明:设计的宽谱段红外光学系统结构简单,满足设计要求。     

基于自由曲面的紧凑型宽波段成像光谱仪设计

针对基于传统光学元件的成像光谱仪,在实现大视场与宽波段的同时难以满足结构紧凑的问题,在Offner成像光谱仪的第三反射镜引入圆锥曲面叠加条纹泽尼克多项式表征的自由曲面。基于矢量像差理论,分析了四阶以下的泽尼克多项式在系统中引入的像散与系统视场、波长的关系,通过选取合理的多项式叠加到圆锥曲面,设计了一款工作于可见光到短波红外波段（400～2500 nm）、体积仅42 mm×82 mm×100 mm的成像光谱仪。系统实现了双波段探测,来自两个不同宽度狭缝的光线经光栅分光后,通过分束器将工作波段分为可见近红外（400～1000 nm）和短波红外（1000～2500 nm）,优化设计结果表明,光谱分辨率分别为2.8 nm和4 nm,成像质量良好,为实现宽波段紧凑型成像光谱仪的设计提供了理论参考。     

Loyt光纤消偏器的原理及性能分析

本文运用琼斯矩阵和相干矩阵的方法分析了Loyt光纤消偏器的原理,讨论了消偏器的结构参数误差对其消偏性能的影响.对分析的结果作了计算仿真,得到消偏器的消偏性能与其结构参数误差间的定量关系.     

消谱线弯曲棱镜-光栅型成像光谱仪设计

针对平面光栅和棱镜成像光谱仪难以校正谱线弯曲的问题,提出了利用棱镜-光栅(P-G)组合分光元件并结合系统物镜畸变校正谱线弯曲的方法。分别计算了棱镜和光栅产生的谱线弯曲以及P-G组合元件产生的光谱弯曲,分析了棱镜和光栅的谱线弯曲特性,并基于此设计了P-G组合分光元件和消谱线弯曲成像光谱仪结构。通过优化设计得到光学系统的光谱分辨率高于2nm,点列图均方根(RMS)半径小于8μm,系统谱线弯曲和光谱弯曲小于2μm。证明了P-G组合元件结合系统物镜畸变可补偿校正整个工作波段的谱线弯曲和光谱弯曲。最后的设计结果表明,基于P-G分光元件的成像光谱仪系统在满足像质要求的前提下,谱线弯曲小于1/4像元尺寸,满足使用要求。     

星载光栅成像光谱仪的退偏器设计与分析

星载光栅成像光谱仪中的光栅通常有着强烈的偏振响应,为保证成像光谱仪测量结果的准确性,加入退偏器是消除光学系统的偏振响应的一种常用方法.对水平-垂直(H-V)型石英退偏器的退偏原理进行了理论分析,根据成像光谱仪的偏振响应特点,采用一片H-V型石英退偏器即可实现光谱仪的退偏要求.重点分析了退偏器引入的双像对成像光谱仪像质的影响,分析的结果表明,加入退偏器后,仪器偏振响应敏感度小于1%,MTF下降小于1.5%,像质满足使用要求,完全可应用于星载光栅成像光谱仪.     

宽视场成像光谱仪前置远心离轴三反光学系统设计

为了满足宽视场成像光谱仪发展的需求,研究了远心、宽视场和大相对孔径的离轴三反系统的光学设计问题,推导出平像场远心三反系统初始结构尺寸参数和三级像差表达式.针对光谱范围0.4～2.5μm、F数为4、有效焦距720 mm和视场10°的设计要求,采用视场角离轴的方法,设计出次镜为凸球面镜、主镜和三镜共面且都为凹二次曲面镜以及...     

宽谱段折射式长焦光学镜头

介绍了宽谱段、折射式长焦镜头的光学设计.重点讨论了宽谱段(420～900 nm)二级光谱的校正问题,修正了部分色散（P）和阿贝数（V）的计算公式,使之适合于宽谱段光学系统的设计,并给出了设计实例及设计结果.本系统理论上的二级光谱约为1.2 mm,而设计结果使三条谱线（420 nm、600 nm、900 nm）基本交于一点,实际二级光谱约0.23 mm.     

宽波段高分辨率改进型Czerny-Turner成像光谱仪研究

主要针对Czerny-Turner结构在成像光谱仪系统中的应用进行了研究。Czerny-Turner结构主要存在的像差为像散。为了获得了该结构的完善消像散条件,对其进行了理论分析和结构改进。系统的基本结构不变,仍由球面准直镜,平面光栅和球面聚焦镜组成,但在聚焦镜后添加了一个带楔角的柱面镜,该柱面镜解决了子午方向和弧矢方向上存在大像散差的问题,使系统可以在较宽的波段上实现较高的分辨率,同时元件制作成本大大降低。设计了一个工作在可见光波段(380~760 nm)的改进型成像光谱系统,并对设计理论进行了验证。例子成功设计了数值孔径0.05,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0.59的高分辨率成像光谱仪光学系统。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。