高光谱分辨率紫外平场光谱仪的研制

光栅作为一重要的分光元件,广泛应用于各类光谱仪,其中球面变线距平场光栅以其独特的平场特性使其容易与阵列探测器结合使用,一次实现宽光谱范围的记录。商业球面平场光栅一般只会提供光栅的公称线密度以及相应的安装参数,而不会提供光栅具体的变线距参数,并且提供的安装参数是针对整个使用波段优化的结果。使用者往往只需要其中的一部分波段。针对这种情况,根据球面平场光栅聚焦、分光原理,利用生产厂家提供的光学元件安装参数给出了推导球面变线距光栅变线距参数的方法。并给出了利用这些参数,根据光谱仪的实际工作波段确定最佳的CCD安装位置的方法。根据推导的光栅变线距参数可以对光学系统进行光学追迹已验证光学系统的性能。研制了一台高分辨率紫外平场光谱仪,覆盖光谱范围230~280 nm。采用的球面变线距光栅公称线密度为1 200 lines·mm-1,使用波段为170~500 nm。推导了该光栅的变线距参数,并针对230~280 nm波段对CCD的安装位置进行了优化。同时利用不同元素的标准光源空心阴极灯对光谱仪进行了波长标定和光谱分辨率测试。波长标定采用参数拟合法,整个波段范围内的标定精度优于0.01 nm。光谱分辨率测试的结果表明光谱仪的光谱分辨率达到0.08 nm@280.20 nm。     

平面反射光栅衍射效率自动测试仪的设计与分析

设计了一种快速自动测试平面反射光栅相对衍射效率的新型系统。它采用连续光源照明,运用双联光栅光谱仪的结构型式,以N沟道增强型场效应管阵列(线阵NMOS)作为光电接收器件。运用光栅光谱仪的相关原理,对系统的测试原理进行了理论分析;并对光学系统进行了像质分析。分析得出,系统装置结构紧凑,电子学系统简化;不存在保证两光栅光谱仪的波长扫描同步问题,具有很好的波长重复性,精度易于保证;较之以往文献中的自动化方案制造成本降低,且操作简便,工作效率提高。研究结果表明：该测试仪工作光谱范围为190～1 100 nm,覆盖了大多数常用光栅的应用波长范围;且系统光谱分辨率小于3 nm,完全满足设计要求,是一种经济可行的方案。     

线阵CCD的光谱测量

用线阵CCD作为光栅光谱仪的接收器件,除了可以对光谱的波长进行测量外,还可以对光谱的波形进行比较、分析.而光谱的波形又与波长、积分时间、入射狭缝宽度、衍射角、光源偏离光轴等因素有关,本文分析并研究了这些因素对光谱测量结果的影响.     

用PtNe灯对大气紫外成像光谱仪进行光谱定标

大气紫外成像光谱仪是一台采用面阵CCD探测器的紫外成像光谱仪,CCD的一维用于记录光谱信息,另一维用于记录垂直飞行方向的空间信息。介绍了大气紫外成像光谱仪的系统组成、工作原理和仪器的主要技术指标,研究了光谱定标理论。结合大气紫外成像光谱仪的特点,选取PtNe空心阴极放电灯作为定标光源,建立了定标装置,对仪器进行了光谱定标。通过对仪器的输出结果进行数据处理,得到了像元序号与波长的函数表达式。定标结果表明,大气紫外成像光谱仪光谱定标的不确定度为0.043 nm。     

基于棱镜扫描法的太阳光谱仪光谱定标

为了标定扫描式棱镜太阳光谱仪的棱镜不同转动角度对应的中心波长和光谱带宽,利用了一种棱镜扫描方法对太阳光谱仪的光谱响应函数进行测量。该方法使用固定的单色光波长,控制棱镜转动实现单色光的像在探测器位置扫描,并通过坐标映射得到响应位置的光谱响应函数。文中根据光谱响应函数的定义,推导出棱镜扫描法与单色仪波长扫描方法波长定标原理上的等效性。之后分别以532 nm固体激光器和632.8 nm氦氖激光器为光源,使用棱镜扫描法测量太阳光谱仪对应波长位置的光谱响应函数,并以单色仪波长扫描法实验作为对比。实验结果表明,对于扫描式棱镜太阳光谱仪,棱镜扫描法测量的中心波长分别为531.86和632.67 nm,其准确度优于单色仪波长扫描法测得的531.39和631.97 nm。由于不受单色仪性能的限制,前者测量的光谱带宽值也优于后者。最后以汞灯为光源使用棱镜扫描法对太阳光谱仪进行了光谱定标实验,实现了特征光谱定标法结合棱镜扫描法对中心波长及光谱带宽的标定。该方法同样可以应用于扫描式光栅光谱仪以及单色仪的光谱定标。     

紫外像增强器光谱响应特性测量方法研究

为了能及时测量自制紫外像增强器的光谱响应特性，设计了一套简便的测量紫外像增强器光谱响应的系统。该系统由专用光源室、光栅光谱仪、直流稳压电源、皮安电流计4部分构成。用光栅光谱仪配套软件直接读出光源每个波长对应的辐射功率；用皮安电流计直接测量出各个波长的光照射光阴极时光阴极产生的光电流，然后求出这2个比值并用Microsoft Excel 2003进行处理，得到光电流与波长变化的曲线，即相对光谱响应曲线。从曲线可以看出，该紫外像增强器的光谱响应范围为200nm～340nm，峰值响应在270nm附近，表明该紫外像增强器具有日盲特性。测试结果表明：系统不确定度＜10%。     

中阶梯光栅光谱仪的多谱线联合在线定标方法

为了提高中阶梯光栅光谱仪光谱定标的效率和精度,基于谱图还原算法,提出了利用汞灯多条特征谱线联合定标的思想,设计了中阶梯光栅光谱仪的在线定标算法。以汞灯为定标光源进行光谱定标实验,结果表明该算法在谱图偏差不超过限定范围时可以自动修正谱图还原模型,选择的定标波长越多、分布越均匀,定标精度越高。对于250~600nm波段内的中阶梯光栅光谱仪,选择5个以上的定标波长可以使定标精度达到仪器理论分辨率0.01nm。该方法实现了中阶梯光栅光谱仪的自动化光谱定标,使光谱仪在保证高光谱分辨率的前提下更具实用性,具有工程应用价值。     

基于激光诱导击穿光谱的波长校准法研究

基于线列光探测器件的光谱仪具有多光谱通道探测的优点，以及其在物质光谱分析中担当的重要角色。分析了基于线列光探测器件光谱仪的波长准确度问题，提出利用激光诱导击穿原子光谱丰富波长校准特征波长谱线的思想。实验选用光谱波长范围为200nm～600nm的凹面光栅光谱仪、2048元焦平面的CCD器件和低压汞灯，分别对铜、铝、镁、钙、硅等5种样品进行了激光诱导击穿光谱试验；利用选取的10条激光诱导原子光谱波长数据并结合低压汞灯的10条特征谱线对光栅光谱仪重新进行波长校准，获取的试验数据有力地证明了这种思想的可行性。     

自制简易光谱仪测量护眼灯显色指数

利用狭缝、反射光栅和CCD自制了一台光谱仪,光线从狭缝入射,经过反射光栅,CCD采集衍射光谱,从而获得光源光谱数据,根据光源显色指数计算公式编写相应程序,导入光谱数据即可得出光源显色指数,实现了利用自制光谱仪测量光源显色指数的实验目的,拓展了光谱仪的实际应用。该实验装置简单,实验成本较低,适合公共课物理实验教学,有利于大学生深入了解光谱仪原理。     

面向微小型紫外光谱仪的凹面光栅模拟与设计

针对微型紫外光谱仪设计要求,基于凹面光栅理论与方法开展了微小型紫外光谱仪的像差分析,完成平场化凹面光栅的模拟分析与设计,解决了紫外宽光谱与高分辨率问题,同时应用光栅衍射理论、全息光学理论,采用光栅设计软件PCGrate对凹面光栅的衍射效率进行了设计和优化,使所应用级次的光谱衍射效率在整个设计波段内达到最优,实现了微小型紫外光谱仪的平场凹面光栅设计。所设计紫外凹面光栅工作波长范围190～410nm、口径20mm,F/#=0.21。按照设计参数装调的微型紫外光谱仪在宽度为50μm缝光源再现情况下,光谱分辨率优于3nm,衍射效率无异常出现。     

基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计

为满足航天应用中仪器小型和轻量化、大视场的观测要求,通过分析现有Offner成像光谱仪,给出了一种简单的采用凸面光栅设计成像光谱仪的方法。并据此方法设计了一应用于400 km高度,波段范围为0.4~1 μm,焦距为720 mm,F数为5,全视场大小为4.3°的分视场成像光谱仪系统。分视场采用光纤将望远系统的细长像面连接到光谱仪的三个不同狭缝而实现。三狭缝光谱面共用一个像元数为1 024×1 024,像元大小18 μm×18 μm的CCD探测器。通过ZEMAX软件优化和公差分析后,系统在28 lp·mm-1处MTF优于0.62,光谱分辨率优于5 nm,地面分辨率小于10 m,能很好的满足大视场应用要求,该光学系统刈幅宽度相当于国内已研制成功的同类最好仪器的三倍。     

Focal length measurement based on Hartmann–Shack principle

A novel means of focal length measurement is proposed based upon Hartmann–Shack principle of wavefront detection. Mathematical approaches of focal length measurement are deduced without the necessity of knowing the position of lens principle plane. In experiment, laser sources with wavelength of 633 nm and 780 nm are separately used and focal length of three pieces of doublets is measured under two wavelengths mentioned above. As were shown by the results, this method of focal length measurement could not only accurately measure lens focal length, but also evaluate chromatic aberration of them. Since the intensity of light is detected by CCD, optical characteristics of lens beyond the range of visible light are also measurable when response range of CCD allows. This new means of focal length measurement is characterized by high accuracy, fast measuring and easy to setup, thereby, it is applicable in wide fields of area.     

高速便携式近红外光栅光谱仪光电系统设计

设计制作了一种基于线阵CCD和USB2.0数据采集系统的高速便携式近红外光栅光谱仪。分光系统采用平面光栅、球面反射镜的准直和成像系统,实现了平谱面和较小的谱线弯曲（﹤4.2%）,利于CCD探测器接收。测控系统采用FPGA和USB2.0接口技术,不仅优化了硬件电路结构,而且大大提高了数据采集速度,最快可达2MB/S。对测量结果进行分析,并给出了波长标定结果。实验结果表明,该光谱仪高速便携,波长精度可达1nm。     

The influences of the wavelength bandwidth on the measured wind velocity and temperature in the static polarization wind imaging interferometer

The static polarization wind imaging interferometer (SPWII) is a device used to measure wind velocity and temperature of the upper atmosphere. In this paper, the principle of SPWII is expounded. Using the four-side pyramid prism and polarizer array, four intensity interferograms of different phase differences form on the four subareas of the CCD which is located at the focal plane of the imaging lens. The wind velocity and temperature can be derived from the interferograms. Using the approximation and the antitheses, we analyze the influences of the wavelength bandwidth on the measured wind velocity and atmospheric temperature. According to the design requirements of the SPWII, the errors of the wind velocity and the atmospheric temperature are less than 5 m/s and 5 K when the incident wavelength bandwidth is in the range of [?3.08, 3.08] nm. The range is estimated and verified by simulations. These results are helpful for the realization and data processing of the SPWII.     

基于渥拉斯顿棱镜的单路实时偏振成像系统设计

针对非实时成像中动态场景偏振探测产生的虚假偏振信息问题,充分利用渥拉斯顿棱镜的分光特性,设计了一种新型实时偏振成像系统.采用像方远心望远透镜系统、准直透镜系统并设计匹配的成像镜系统,在单探测器阵列上同时获取偏振态相互垂直的两幅偏振图像.通过全系统联动设计与优化,系统的调制传递函数在截止频率处不小于0.55,全系统弥散斑均方根半径小于5.3μm,即小于探测器像元尺寸,满足成像设计要求.仿真结果证明该成像系统可有效解决传统分振幅偏振成像系统的实时性差的不足,分孔径偏振成像系统的能量利用率和分辨率低的问题以及偏振焦平面方法中光路串扰的缺陷,应用前景广阔.     

光栅色散型成像光谱仪的在轨光谱定标方法研究

精确的光谱定标是定量化反演地物信息的前提与基础。光栅色散型可见近红外成像光谱仪(VNS)主要用于海洋水色遥感和海岸带监测,采用推扫式成像方式,工作波段范围覆盖400～1 040 nm,空间维视场像元总数为1 024,共设置256个光谱通道,光谱采样步长为2.5 nm。针对仪器入轨后可能发生的光谱通道中心波长漂移或通道宽度展宽问题,基于光谱特征曲线匹配思想,提出了利用太阳大气廓线和星上定标器镨钕特征光谱进行在轨光谱定标的新方法。开展了在轨光谱真实性检验与定标的地面模拟实验,采用最小差值与相关系数联合算法对数据进行了处理。以大气氧气吸收763 nm波段为例,介绍了在轨光谱定标的步骤。给出了太阳夫郎和费517 nm、Pr-Nd玻璃685 nm和氧气吸收763 nm三个典型波段对应VNS的光谱通道的定标结果：三个通道穿轨视场Smile效应幅度相近,约为0.6 nm;中心波长漂移方向和大小各异,分别为0.707,-0.369和0.293 nm;对穿轨方向各像元的测量值进了二次曲线拟合,763 nm通道标准偏差小于另外两个通道,三个通道的光谱定位精度较高优于0.176 nm。为成像光谱仪开发出一种适用的在轨光谱定标算法。     

基于LCTF的便携式多光谱成像仪

选用商品化照相机镜头、液晶可调谐滤光片（Liquid Crystal Tunable Filter,LCTF）和单色面阵CCD相机,将LCTF置于由镜头和CCD相机组成的照相光路中构成便携式多光谱成像仪,该多光谱成像仪能够在被动和主动光源下进行多光谱图像数据采集,工作波长范围是400-720nm,光谱分辨率为10nm,建立了多光谱成像仪系统多光谱图像采集数值模型,分析了误差源,为系统定标提供了理论依据。最后在自然光照条件下进行了盆景植物的多光谱图像采集试验,重建出多光谱数据立方体,绘制了典型目标点的光谱曲线。     

宽波段、高分辨率折反式航摄物镜设计

为满足在10 000 m左右高空摄影时地面分辨率达到0.2 m的需要,采用长焦距和折反射式光路形式设计一种高分辨率CCD航摄物镜。使用普通玻璃校正由大口径和长焦距带来的二级光谱,且在单个像元尺寸为8 m的36 mm48 mm大面阵、高分辨率CCD作为接收器的条件下,光学系统在60 lp/mm处各视场的传递函数均接近衍射极限,满足成像质量要求,最终实现了在470 nm~950 nm宽波段工作范围内能够进行全天侯观察与测量。     

短波红外平场光谱仪的波长定标

针对自行研制的短波红外平场光谱仪,讨论了波长定标的原理和方法.短波红外平场光谱仪由两个分光探测单元组成,探测单元以平场凹面光栅分光,处于焦平面上的线阵列探测器探测,波长定标分为两个波段进行.为了实现准确的波长定标,针对短波红外平场光谱仪的特点设计了波长定标步骤.双单色仪可以输出光谱仪波长范围内任意波长单色光,选用双单色仪作为光谱定标光源,双单色仪的输出单色光光潜分辨力为1.5 nm,经过光谱仪的分光会聚后成像在线阵列探测器像元上,采用重心法计算出给定波长对应的像元精确位置,通过多项式拟合得出两个探测单元的波长定标系数.定标结果表明,在900～2400 nm波长范围内,定标曲线拟合误差小于0.5 nm,波长定标不确定度优丁0.6 nm.     

基于AOTF成像光谱精密测量技术的研究

声光可调滤波器(AOTF)作为光谱成像的一种新型分光元件,在运用其进行成像光谱时,一般选择入射光垂直于AOTF入射面时所对应的衍射中心波长为CCD的光谱测量波长。但在实际测量中,空间目标不同位置的光线总是以不同的角度进入到AOTF,这样就导致了CCD实际测量的光谱和以光垂直入射时所对应的光谱为测量光谱相比出现误差,影响了光谱的测量精度。采用的成像光谱系统的特点是目标光线经前置光学系统、AOTF和成像透镜后,聚焦成像于透镜的焦平面上,实现了目标光在整个系统的一次成像。此一次成像与传统的二次成像相比,能够有效的提高光能利用率和成像质量。由于AOTF的视场角为±3°,所以通过对AOTF视场角范围内衍射中心波长随入射角度变化的实际规律进行了分析研究,并对衍射波长随入射角度变化的实际测量值进行了拟合修正,得到了修正方程。实验结果表明用修正后的方程进行光谱测量,其相对误差值可以减小一个数量级。此方法可为今后提高AOTF成像光谱测量精度奠定基础。