失调同轴三反消像散系统消彗差补偿

三阶彗差是同轴三反消像散(TMA)光学系统镜面失调产生的主要像差之一。使用矢量像差理论分析了同轴TMA光学系统失调后彗差变化特性,给出了次镜和三镜像差偏移矢量的求解方法及公式,并推导了系统次镜和三镜失调导致的彗差增量系数公式,证明了三镜在X-Y平面内偏心产生的彗差可以通过一个固定比例的次镜偏心量完全补偿,提出了次镜对偏心三镜的消彗差补偿条件、次镜和三镜各自的X-Y平面偏心无彗差条件。计算了同轴TMA光学系统中三镜失调的两个例子,在消彗差补偿条件下,经过次镜主动偏心补偿,全视场均值彗差增量仅为未失调前的0.6%和1.9%,证明了消彗差补偿条件的正确性。     

非球面眼镜片的像差分析和设计

根据非球面眼镜片的赛德尔 (Seidel)初级像差理论 ,分析讨论了在消像散条件下校正球差、彗差和畸变的可能性 ,指出适当优化镜片的形状因子 ,能够获得畸变低于球面镜片的点焦 (即消像散 )非球面镜片。以± 6 .0m- 1 镜片为例 ,给出了校正畸变、点焦、无拐点非球面镜片的设计方法与结果 ,通过性能评价和比较 ,指出非球面镜片的像差校正情况与初级像差理论的分析结果基本一致     

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.     

消像散Czerny-Turner光谱成像系统的设计

传统Czerny-Turner结构的成像光谱仪存在固有的像散,为选择合理的消像散结构。对现有的消像散方法进行了比较,在不忽略光栅与准直镜和聚焦镜距离的情况下,分析了传统Czerny-Turner光谱仪的零阶消像散条件,推导出子午和弧矢焦长的表达式,并利用MATLAB精确计算出零阶消像散的光学结构参数。此外,分析了用超环面聚焦镜代替球面镜、加入柱面反射镜和柱面透镜等方法的消像散条件,并在可见光波段分别对初始Czerny-Turner结构进行改进优化。所有方法在整个波段内都较好地校正了像散,将平面光栅置于发散光路中的方法不引入复杂光学元件,结构简单、加工成本低、易于装调,最具推广价值。     

柱面反射式消像散Czerny-Turner光谱仪高分辨探测技术研究

传统Czerny-Turner光谱仪系统中,像散是影响光谱仪成像质量并限制其在分析领域中进一步应用的主要因素。针对这一问题,提出了柱面反射式消像散Czerny-Turner光谱仪高分辨探测技术。使用柱面反射镜校正系统像散,能够提高系统像质,在具有良好工艺性的同时,保证宽波段C-T光谱仪的实际分辨力。实验证明,柱面反射式消像散C-T光谱仪的分辨力在400～800nm的探测范围内可以达到0.02 nm。该技术能够提高光谱仪的性能,为高分辨宽波段的光谱仪研制提供可行方法。     

基于复曲面镜的高分辨Czerny-Turner光谱探测技术

Czerny-Turner型光栅光谱探测技术凭借其色散均匀、灵敏度高、光谱探测范围宽等优势成为现代光谱仪器研究的热点,广泛应用在生物学、医学、材料科学等领域,但受限于像散,系统的成像质量和分辨力难以进一步提高。为解决上述问题,提出了基于复曲面镜的高分辨Czerny-Turner光谱探测技术,通过复曲面镜子午和弧矢方向焦距不同的特性来校正像散,在保证C-T型光谱仪高灵敏、宽谱段优点的前提下,改善成像质量,提高系统分辨力。理论分析和实验结果表明,复曲面镜消像散光谱仪样机基于10nm扫描间隔的光谱拼接技术,在400～800nm工作波段范围内光谱分辨力达到0.020nm。为C-T型光谱仪的分辨力改进提供了一种可行途径。     

静态像差对交叉谱相位复原精度的影响及补偿方法

斑点图像重建方法可以有效抑制大气湍流的影响,得到目标衍射极限像。然而系统静态像差破坏了波前的统计信息,降低了相位重建精度。通过理论分析得出在理想情况下,离焦、像散、彗差和球差中只有彗差会在重建结果中引入额外相位值。进一步采用分割光瞳的方式表示交叉谱传递函数与静态像差的关系时,指出通过选择交叉谱的平移向量方向,可以实现在特定方向上静态像差之间的平衡,降低系统像差对相位重建的影响。仿真中球差与离焦像差之间的平衡及离焦像差与像散之间的平衡,都起到了降低相位重建误差的效果。     

基于同心离轴双反射系统成像光谱仪的像散校正(英文)

提出了一种基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪,该系统由四片球面反射镜与一块平面光栅组成.在分析同心离轴双反射系统的基础上,结合像差理论与光程函数概念,推导了同心离轴双反射系统的像散公式,得到其消像散条件.消像散理论表明,将消像散的同心离轴双反射系统分别应用于成像光谱仪的准直光路与聚焦光路中,可以实现成像光谱仪全光路消像散.研究了准直光路与聚焦光路共心对称的成像光谱仪结构,给出了其通用设计算法.根据初始结构计算方法,设计了工作波段在远紫外(120~180nm)的成像光谱仪实例,给出了初始结构的点略图与像散曲线图,以验证消像散理论的正确性.结果表明,初始结构完全符合消像散理论.优化设计后的成像光谱仪光谱分辨率接近1.6nm,调制传递函数值全视场全波段在0.37以上,具有良好的成像质量.     

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。     

基于固定校正元件的椭球形窗口光学系统设计

提出了一种基于非球面固定校正元件的椭球形窗口光学系统设计方法。结合广义科丁顿公式及几何光学原理,推导出非球面校正元件的像散表达式,在此基础上,以消像散和正弦条件作为非球面校正元件像差评价参数,采用最小二乘法拟合出满足消像散及彗差的非球面面形方程。并建立以泽尼克(Zernike)多项式特殊优化函数取代传统的光学系统评价函数,克服了采用传统光学设计方法设计椭球形窗口光学系统时系统评价函数收敛缓慢的问题。成像光学系统设计时通过比对不同材料匹配实现了光学系统的无热化。给出了完整的椭球形窗口光学系统的设计,设计结果表明,系统的调制传递函数在整个扫描视场范围内接近衍射极限。     

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。     

带有实时温度补偿功能的微型光谱仪研制

解调飞机上变栅距光栅位移传感器的微型光谱仪在受到严重的高低温冲击后会出现温度漂移。针对航空领域中变栅距光栅位移传感器的解调系统研制了一种具有实时温度补偿功能的微型光纤光谱仪。为了实现实时温度补偿,分析了温度变化对微型光谱仪的影响,并对传统的交叉式Czerny-Turner光路进行了优化,用ZEMAX软件模拟得到：在相同的受热产生的变形条件下,优化的C-T光路光谱漂移量相比优化前的更小且整体漂移线性度更好。在此基础上提出了一种引入参考光来实现实时温度补偿的方法,并最终基于改进的C-T光路制作了一个体积为80 mm×70 mm×70 mm、工作波段在500～1 000 nm、积分时间为8 ms～1 000 ms、光学分辨率约为2 nm的微型光纤光谱仪,用实验验证了优化的C-T光路的光谱温度漂移情况及温度补偿方案的可行性。实验结果表明在近60 ℃范围内的温度冲击下,研制的微型光谱仪能够达到波长标准误差小于0.1 nm,波长最大误差小于传感器系统所要求的0.3 nm,满足初始的设计要求。该微型光谱仪的创新之处在于采用了优化的交叉式C-T光路作为色散系统且基于引入参考光的方法实现了实时温度补偿功能。     

数字微镜近红外光谱仪光学系统设计与实验

针对传统光谱仪体积大、成本高、检测速度慢、需样品前处理等不足,提出了利用数字微镜面阵（DMD）实现光谱谱面分割分时选通的近红外光谱仪光学系统.首先,对比传统光路介绍单探测器微型光谱仪系统测量原理|然后结合DMD特性提出光路方案,根据几何光学原理进行初步光学元件选型和光路结构设计,利用ZEMAX光学软件对光路进行仿真,确定结构参数|最后,搭建实验平台,进行光路测试.实验结果表明:该系统光路尺寸为70 mm×130 mm,测量波段为（900～1 500 nm）,分辨率可达19 nm|在能量损失较小的情况下,减小狭缝尺寸可提高光学分辨率,狭缝的极限尺寸为200 μm|减小狭缝子午面高度可减小谱面内弯曲现象.本系统基本满足近红外分光,实现单点探测器光谱测量的要求.     

用于大气遥感的远紫外光栅色散成像光谱仪的研究

远紫外光栅色散型成像光谱仪在空间大气遥感领域主要用于电离层、热层、极光和辉光的探测。文章根据临边与天底结合的大气成像光谱探测原理,提出了探测方案,设计了适用于远紫外波段的光栅色散型成像光谱仪的两种光学系统,并选择了平面光栅结构进行研制集成,在国内首次获得了原理样机。样机工作波段为120～180nm,望远系统采用离轴抛物镜,光谱成像系统采用改进型的Czerny-Turner结构,探测器使用远紫外响应背照型增强CCD。搭建了相应的实验系统对样机的基本性能参数进行了测试,测得光谱分辨率约为2nm,空间分辨率0.5mrad。这种远紫外光栅色散型成像光谱仪的研究对完善我国大气遥感事业具有重要的研究与应用价值。     

宽光谱Czerny-Turner光谱仪中的彗差与分辨率

小型光谱仪较多地采用Czerny-Turner(切尼—特纳)光路结构,其设计应遵循Shafer消彗差原理消除中心波长处的初级彗差并尽量平直整个谱面以提高分辨率。但常规设计并未考虑非中心波长处彗差和分辨率的变化情况。在对两种典型切尼—特纳光路结构进行初级彗差分析的基础上,指出交叉型光路结构宽光谱范围内的分辨率呈“V”形,而M型光路结构分辨率在全光谱范围内变化较小,近似呈“一”形,即后者宽光谱范围内的分辨率一致性远好于前者。针对于此,该文设计了光谱范围为400～600 nm的2种光路,并对其进行了理论计算和对比实验,实验结果表明,两者边缘波长处分辨率分别比中心波长处分辨率低3.7倍和1.2倍,与理论计算结果基本一致。     

极紫外平场光栅光谱仪的研制和性能测试

研制了一台高分辨率极紫外光谱仪,用于磁约束等离子体诊断。采用一块具有平场特性的全息球面变线距光栅作为分光元件,光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1,掠入射角为3°。一台可深度制冷、背照式面阵CCD作为光谱探测器,用机械快门控制曝光时间。通过CCD在光谱聚焦面的移动,可以记录的光谱范围为5～50 nm。用Penning放电光源测试了光谱仪的性能; 利用光源的标准谱线,进行了波长标定,波长精度为0.003 nm,并计算出系统各参数的实际值;当入缝宽度设置为30 μm时,在20 nm附近,光谱分辨率达0.015 nm,达到设计指标。     

利用OMA谱仪测量飞秒激光的谐波光谱

本文给出了利用光学多道分析(OMA)谱仪测量飞秒激光谐波光谱的一种方法 .该方法是利用OMA谱仪(谱分辨0.1nm)加CCD(1152×1242)相机探测设备,用消色差的相机镜头作为空间分辨,在固体靶前表面测量了激光的二次谐波(2ω_0)光谱.结果显示:在平行于靶面的方向和接近于法线方向分别观测到了2ω_0光谱,但在接近于法线方向的谐波光谱出现了精细结构,并得到2ω_0谐波谱的分裂间隔约为3.183 nm.分析认为,自生磁场的产生和作用是导致二次谐波光谱精细结构及谐波谱分裂的主要原因.     

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。     

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。