成像光谱仪一体化设计

随着超光谱成像技术的发展,超光谱成像光谱仪的要求也随之提高,小型化、高光谱分辨率和高空间分辨率成为发展趋势,这就要求设计者在进行仪器设计的过程中不断完善和优化设计。提出了成像光谱仪一体化设计的方法,即不单纯地进行光谱仪分光系统的设计,而是将光谱仪分光系统置于整体结构中进行整体系统设计和优化,从而实现超光谱成像光谱仪的最佳设计结果,并以近年来应用较为广泛的凸面光栅成像光谱仪为例,较为详细地阐述了成像光谱仪一体化设计方法在系统研制过程中的应用,并通过对该凸面光栅成像光谱仪的测试验证了该方法的正确性。     

基于双波前传感器自适应光学技术的太阳光栅光谱仪

为了研究不同太阳大气高度的热力学特性,具有良好成像质量的成像型光栅光谱仪是实现这个目标的重要仪器。然而作为地基式太阳望远镜重要的终端仪器之一,光栅光谱仪的光谱成像性能不可避免的会受到动态波前像差和系统静态像差的影响。动态波前像差常通过在太阳望远镜系统中集成自适应光学系统进行补偿。针对光学系统中的由装调和光学元件加工等引起的静态波前像差,提出了一种基于自适应光学技术校正光栅光谱仪中静态波前像差的方法,并进行了数值模拟仿真和实验验证。实验结果表明,校正后系统的残余波前像差RMS≈0.025λ,此时波前像差对光谱分辨率和能量利用率的影响可忽略,提高了光栅光谱仪的光谱成像质量,证明了所提出的方法的有效性。此外它具有降低光学系统装调精度和光学元件加工精度要求的优点。     

成像光谱仪星上定标技术

成像光谱仪是同时获取地物图像和光谱信息的新一代光学遥感仪器。星上定标是成像光谱仪光谱图像数据定量化应用的基础。本文阐述了成像光谱仪星上定标的原理,按照星上定标采用的参考标准对星上定标技术进行了分类,详细介绍了星上辐射定标和光谱定标技术,并展望了成像光谱仪未来发展趋势。绝对辐射定标已经成为成像光谱仪星上定标的基本要求,太阳将逐步代替星上标准灯成为绝对辐射标准。基于不同参考标准的定标方法的综合应用将使星上定标精度和可靠性大大提高。随着定标精度的进一步提高,地面光谱定标装置将逐步空间化,基于探测器的星上辐射定标系统也将逐步得到应用。     

成像光谱仪同心光学系统的研究

介绍了Offner凸面光栅成像光谱仪和Dyson凹面光栅成像光谱仪两种常用的同心光学系统。Offner凸面光栅成像光谱仪采用全反射的形式,使用光谱范围很宽,加工、装调较为简单,受外界环境影响较小;Dyson凹面光栅成像光谱仪在体积和尺寸上的优势较为明显,易于实现整体结构的小型化。给出了这两种成像光谱仪的具体设计实例,两种光学系统的成像质量均能达到较为理想的结果,其结构畸变均＜0005%,在使用光谱范围内,光谱分辨率均能到达3 nm,具有高质量的光学传递函数。最后,给出了配合成像光谱仪使用的多种前置光学系统的结构形式,并讨论了消除系统杂散光的方法及消除光谱级次重叠的方法。     

小型高光谱分辨率光栅单色仪的研制

单色仪是成像光谱仪进行光谱连续定标的必备设备,为了对高光谱成像光谱仪进行连续光谱定标,设计了一种轻小型高光谱分辨率的光栅单色仪。采用水平式Czerny-Turner光路结构,以高光谱分辨率为出发点,通过推导计算,从光栅选型、焦距计算、狭缝尺寸的确定等方面详细论述了光栅单色仪的设计思路,给出仪器的重要必要结构参数,并论述了这些结构参数对仪器光谱分辨率和体积的影响。根据光栅单色仪的光路特点,对入射狭缝组件、准直物镜组件和成像物镜组件、扫描结构、机身等进行轻小型机械结构设计,并给出正弦杆扫描机构的结构参数与仪器输出波长和波长扫描精度的数学关系,完成了仪器的整体结构设计和装调。应用汞灯可见光光谱进行波长定标,采用最小二乘法得到定标曲线,并提出步进数极限误差与定标曲线相结合的方法,求得仪器的波长重复性和波长准确度;仪器在400~800 nm波长范围内,光谱分辨率优于0.1 nm,波长重复性达±0.096 6 nm,波长准确度达±0.096 9 nm。     

光栅色散型成像光谱仪室内外光谱定标中心波长偏移研究

成像光谱仪使用前需要对其进行光谱定标以确定其各光谱通道的中心波长和光谱带宽。但是室内外光谱定标实验结果表明随着使用环境的变化成像光谱仪各通道的中心波长和带宽将发生变化。对光栅色散型成像光谱仪各光谱通道的中心波长室内外定标结果的偏移进行研究,从光栅色散型成像光谱仪的光学结构和工作环境参数出发对造成其中心波长偏移的因素进行分析和建模,对震动、机械形变和浓度等主要影响因素进行理论推导和数量级估算,结合实验结果进行对比分析。理论推导和实验数据分析都表明光栅色散型成像光谱仪室内外光谱定标获得的各通道中心波长的偏移量与各通道的本征波长成二次函数的关系,其中震动和机械形变所带来的系统光路结构的细微改变是造成其中心波长偏移的主要因素,使用环境温度的差异也对该成像光谱仪各光谱通道的中心波长具有一定的影响。     

光电探测器对光谱仪器精度的影响

通过优化光谱探测环节来提高光谱仪器的精度是改进或研制新型光谱仪的重要途径。为此,文章基于对光电成像系统中光学传递函数的研究,建立了光谱图像经探测器积分抽样后重建的数学模型,并在此基础上分析了光电探测器积分抽样特性参数对光谱线频谱的影响,讨论了光谱线半宽度与探测器积分区间宽度、灵敏度及抽样间隔的关系,提出了准确重建光谱线,提高光谱仪器波长精度和光度精度的探测器优化原则。     

基于短波红外成像光谱仪的矿石光谱测量

为了实现对不同矿物成分的识别,研制了一台用于矿石光谱分析的短波红外成像光谱仪,并基于此台仪器获取了多种矿石的图像信息和光谱信息。阐述了设计原理,并对整个系统的光学设计结果进行了成像质量分析。采用单色准直光法对该系统进行了测试,得到各光谱通道的中心波长以及光谱分辨率等光谱性能参数,测试结果显示,该仪器光谱分辨率优于10 nm,满足应用需求。利用研制出的成像光谱仪对岩石样品进行了实验,并对获得的光谱曲线进行了光谱分析。实验分析结果表明,该仪器具有良好的性能,能够较为准确地判断不同矿石。设计的短波红外成像光谱仪具有高分辨率、结构简单、小型化、重量轻等优点,便于机载成像,有益于其在地质勘探领域的应用。     

光栅式成像光谱仪空间均匀性测试研究

空间均匀性是成像光谱仪辐射定标的核心参数之一。通过对国内外均匀性测试方法研究,提出采用空间分布法对光栅式成像光谱仪的空间均匀性进行测试研究。该方法能准确给出各个位置点信号响应的详细分布,对于提高并改善光栅式成像光谱仪的图谱质量具有重要的意义。空间分布法建立在高稳定性、高均匀性标准光源的基础上,由计算机软件对测试结果进行图谱分离,提取同波长下空间响应信号获得光栅式成像光谱仪的空间均匀性。最后分析了空间均匀性测量不确定度的影响因素,并分析了空间均匀性对绝对辐射定标和光谱精度的影响。     

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.     

光栅光谱仪光谱响应误差校正

针对由器件光谱特性引起的光栅光谱仪测量误差问题,提出了一种误差校正方法,并对该技术中的理论模型、数值提取算法和精度、误差校正精度进行了研究。首先,在深入剖析光栅光谱仪工作原理的基础上,建立了光谱误差校正的理论模型;其次,在研究光栅、探测器、反射镜等核心器件光谱特性曲线典型特征的基础上,提出了器件光谱响应参数提取算法,并对该算法的精度进行了实验研究;最后利用本文所建立的理论模型和数值提取算法对光栅光谱仪测得的溴钨灯光谱进行了校正,并将校正后的结果与溴钨灯标准谱线进行了比较。实验结果表明,本文所提出的数值提取算法的平均误差为0.39%,校正后的光谱曲线与溴钨灯标准光谱曲线一致,说明本文所提出的校正技术能够有效消除器件光谱特性引入的误差。     

星载宽波段远紫外高光谱成像仪光学系统设计

根据高层大气遥感的应用要求,设计了一个全反射式的远紫外高光谱成像仪光学系统,该系统由扫描镜、离轴抛物面望远镜和超环面光栅光谱仪组成。提出了一种凹面超环面光栅光谱仪像差校正方法,根据凹面光栅的几何像差理论求解初始结构参数,然后利用光学设计软件Zemax进行优化,完成了超环面光栅光谱仪的设计,在工作波段内,点列图半径的方均根均小于16 μm,实现了宽波段像差同时校正,满足光谱分辨率0.6 nm的指标要求,也证明了提出的像差校正方法是可行的。运用光学设计软件Zemax对远紫外高光谱成像仪光学系统进行了光线追迹,并对设计结果进行了分析,分析结果表明,各波长的光学传递函数均达到0.8以上,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,适合空间遥感应用。     

宽波段高分辨率小型紫外成像光谱仪光学系统研究

结合小型紫外光谱仪器设计原理对紫外成像光谱仪进行了研究。以离轴抛物镜为望远镜,超环面光栅为成像光谱系统设计了系统方案;该光学系统的优化设计就是对超环面光栅的参数设计。分析了光栅的光程函数和像差方程,总结了单超环面光栅结构的完善聚焦条件和完善成像条件;这两种条件无法在代数计算下得到完善代数解,限制了光谱仪的工作波段和视场,引入遗传算法解决了这个问题。以一工作波段为200~280 nm的日盲紫外成像光谱仪为例对设计理论进行验证,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,成功得到了F数为5.7,焦距为102 mm,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0.65的高分辨率成像光谱仪光学系统。设计结果表明这种光学系统设计理论适用于小型宽波段高分辨率紫外成像光谱仪。     

Power-efficient Fourier domain optical coherence tomography setup for selection in the optical path difference sign using Talbot bands

A power-efficient Fourier domain optical coherence tomography fiber system is presented free of mirror terms. The object and reference beams from the interferometer are spatially separated to illuminate different parts of the diffraction grating in the spectrometer according to a method inspired from the use of Talbot bands. In this way, the system is made sensitive to only one sign of the optical path difference in the interferometer.     

普通发射式光谱仪的功能扩展与改造研究

光谱仪是进行光谱分析时所必需的重要仪器。目前在科学研究和高等教育教学中广泛应用的光谱仪大多单为某一功能而设计,且价格昂贵。本文以常见的发射式光栅光谱仪为例,进行普通光谱仪的功能扩展设计研究与测试,使普通光谱仪从单一的发射光谱仪扩展成为集荧光光谱、透射光谱和反射光谱的测量于一体的综合性光谱仪。结果表明:通过添加外部光源、搭建测试样品架的方法,在精度要求不是特别高的情况下,可以满足一般教学科研的需要。通过扩展设计,降低了分析测量的成本,对于样品的低成本分析测量及改进普通光谱仪的设计具有一定的借鉴意义。     

Design and fabrication of a Fourier transform spectrometer by means of thermally actuated tunable grating

In this article, the design and fabrication of a Fourier transform spectrometer, based on a thermally actuated tunable grating, are presented. Grooves of a binary grating are filled with nitrobenzene, the refractive index of which highly depends on temperature. Through the application of heat, the temperature of the nitrobenzene is changed, which in turn changes the efficiency of the grating. To measure the spectrum of a light beam, the light under inspection is first passed through the grating and the intensity of the zero order of diffraction is recorded as a function of temperature. Next, the Fourier transform of the measured data is calculated. The resolution of the spectrometer is also discussed. Finally, a micro-spectrometer that is based on a thermally actuated grating is proposed.     

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.     

基于光纤多狭缝的亚像元光谱采样及复原

光栅光谱仪的分辨率与其光通量之间存在折衷的关系。亚像元-反卷积序列光谱图复原方法可以在不降低光通量的前提下提高其分辨率。为使该方法能够应用在采用阵列探测器的小型便携式光谱仪上,提出了一种光纤多狭缝的设计方法,以获取亚像元重建所必须的序列光谱图。该方案的主要优点是无需微动机构,没有显著的像差变化,有利于简化算法。     

X光多层膜反射镜反射特性实验研究

采用在平焦场光栅谱仪后面分段记录光谱的办法成功地实现了软Ｘ光多层膜反射镜反射率的测量，实验观察了反射镜反射特性随入射角变化情况，同时对实验测量误差进行了分析。