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.     

Czerny-Turner型光栅光谱仪光学系统优化设计

为提高光栅光谱仪分辨力,设计了基于球面反射物镜、工作波段范围500~800nm、焦长800mm的非对称式C-T型光栅光谱仪系统,给出了在消像差条件下系统中元件参数和结构尺寸的计算方法,运用光学设计软件Zemax对系统进行仿真分析与优化设计,研制了光谱仪样机。设计和实验结果表明,系统在工作光谱范围内的理论分辨力优于0.01nm、实际分辨力优于0.04nm,满足光谱测量需求;整个光学系统具有结构简单、元件数量少、成本低、分辨力高、稳定性好等优点。     

改进型Czerny-Turner成像光谱仪光学系统设计方法

像散是目前影响Czerny-Turner结构成像光谱仪空间分辨率最大的像差。首先引入柱面反射镜,利用光焦度衡量像散大小,推导出易于计算的像散校正公式,有效地校正了像散。给出准直镜到光栅距离的计算方法,有效校正了成像光谱仪边缘视场像差。给出了成像光谱仪像面倾角的计算方法,实现了宽波段的像差校正。最终利用上述方法设计了一套用于115～200nm的改进型Czerny-Turner成像光谱仪,焦距f′=48mm,F数为5.0,全视场、全波段调制传递函数(MTF)在0.7以上。全波段光谱分辨率为0.22nm,像面大小为8mm×7mm。设计方法适用于多种结构要求的成像光谱仪。     

交叉型消像散Czerny-Turner结构光谱仪设计

以相对孔径为1：8,工作波段为780～1014nm为初始光学参数,首次推导出交叉型Czerny-Turner（C-T）结构光谱仪的一阶消像散条件,搭建了交叉型消像散C-T结构和交叉型消彗差C-T结构。利用ZEMAX软件对两种初始结构进行了优化和比较。结果表明：交叉型消像散C-T结构具有更优越的光学性能,其均方根半径仅是消彗差C-T结构的12％～52％。消像散C-T结构不仅在沿狭缝方向上能量更为集中,利于设计大聚光能力的分光系统,而且在沿垂直于狭缝方向上点斑更小,具有更高的光谱分辨率。     

高光通量短波红外静止干涉成像光谱仪研究

讨论高光通量静止干涉（傅里叶变换）成像光谱仪的基本原理及结构特点，建立了短波红外的高光通量静止傅里叶变换光谱仪的实验系统，给出了实验结果。     

高分辨率Czerny-Turner光谱仪光学系统设计

为了克服光栅光谱仪分辨率低、像差较大、体积大的缺点,根据光谱仪工作原理和几何光学像差理论,设计了一种光谱范围为350~450nm的Czerny-Turner光谱仪光学系统.计算了光学系统各光学元件的特征参量和系统结构参量.运用光学设计软件Zemax对系统进行光线追迹与优化设计,并对设计结果进行分析.理论和实验结果均表明,该系统在350~450nm光谱范围内分辨率小于0.1nm,系统体积约为105×105×20mm3,整个光学系统具有结构简单、体积小、分辨率高、稳定性好等优点.     

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。     

小型紫外拉曼光谱仪

紫外拉曼光谱技术具有拉曼本征散射效率高,受杂散光干扰小等优点,在爆炸物、污染物以及农药残留现场检测等领域有着广阔的应用前景。然而,目前市场上常见的小型或者便携式拉曼光谱仪均采用可见或者近红外激光作为激发光源。本研究在实验室具有自主知识产权的紫外可见共振拉曼光谱仪的基础上,设计了小型紫外拉曼光谱仪,光谱仪采用透镜作为光谱仪的准直镜和聚焦镜,有效减小了慧差造成的影响,实现了高分辨率和宽光谱范围的测试。     

消像散型Czerny-Turner成像光谱仪图像变形校正研究

Czerny-Turner结构成像光谱仪像散校正会改变系统焦距,导致图像子午方向和弧矢方向放大率存在差异。分析了两种Czerny-Turner结构成像光谱仪像散校正光路(柱面镜和超环面)像散校正原理,由此提出并推导出两类光谱图像变形校正公式和方法,并总结二者的共同特征。通过理论计算、光线追迹仿真和实际光谱成像测量验证了图像变形校正方法的正确性。同时,该图像校正方法对其他准直光工作条件下离轴结构色散型成像光谱仪图像变形校正研究有借鉴意义。     

成像光谱仪的光学系统设计

成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器 ,以获取地球目标的详细光谱景像为目的 ,如陆地、海洋的辐射信息及大气等方面的监测等。成像光谱仪的特点是成像光谱段多、谱段不连续、位置重叠等 ,并同时存在有图像分辨率和光谱分辨率的问题 ,其光学系统是非常复杂的 ,且所要求的光谱分辨率比图像分辨率要高。详细介绍了成像光谱仪的光学系统原理、光学系统设计方法及组成部分。根据现有的技术条件 ,给出了合理的结构和设计结果 ,设计思想新颖适用     

极紫外光谱仪光学系统的优化设计

将平面对称光学系统的像差理论应用于极紫外(XUV)光栅仪器的评价函数,可以得到评价函数关于光学参量的解析表达式。应用合作型协同进化遗传算法来解决多参量评价函数的优化问题,建立了优化程序。应用该程序对XUV摄谱仪系统进行优化设计,并运用光线追迹程序Shadow对该光学系统进行数值成像计算和比较,研究结果表明发展的评价函数在XUV多元件光栅光学系统优化设计中是十分有效的。     

干涉成像光谱仪光通量的计算与分析

论述了干涉成像光谱技术的工作原理,采用光线追迹的方法对基于Sagnac棱镜和Savart偏光镜的干涉仪中的光线传播规律进行了分析,推导出了无狭缝式干涉成像光谱仪光通量的精确理论计算公式,并对干涉成像光谱仪中具有代表性的Savart型偏振干涉成像光谱仪光通量和改型Sagnac成像光谱仪光通量进行了分析比较.通过计算机模拟给出了系统光通量随入射角和波长变化的关系曲线.该研究对干涉成像光谱仪的研究和工程化研制具有重要的指导意义. 关键词： 干涉成像光谱仪 光通量 透射比     

非对称光学系统的ABCD定律

用矢量分析的方法简明地推出了一般非对称光学系统的衍射积分公式.在此基础上,借助光束复曲率张量的概念,给出非对称光学系统的张量形式ABCD定律.最后给出简单的应用例子.     

新型高度便携式拉曼光谱仪

以色列研究小组基于办公室和大学演讲厅常用的普通绿光激光指示器，成功开发出一款新型高度便携式拉曼光谱仪，可实时检测极微量的有害化学物质。该光谱仪采用紧凑型设计，可以快速安置于灾区和安全问题严重地区现场。这个利用一个低功耗、低成本的商用绿光激光指示器建造的拉曼光谱仪，由于减小了设备尺寸，使用起来更为方便。绿光激光器相对较短的波长有助于改进本来就很微弱的拉曼信号的探测。     

新激光拉曼光谱仪通过鉴定

浙江大学光学仪器系研制的LRZ-Ⅰ型激光拉曼光谱仪于6月6日由国家教委科技司组织了鉴定。参加鉴定会的专家和代表们对于浙江大学光仪系依靠国内技术研制成功高度精密的光谱仪器表示赞赏。一致认为该仪器是我国自行研制的第一台带微机的激光拉曼光谱仪,达到和超过了原订设计指标。它的功能和主要技术指标达到了国外八十年代初同类仪器的水平。LRZ-Ⅰ型激光拉曼光谱仪的光学系统和精密机械结构,采用了适合我国国情又能保证仪器精度和主要能性的方案,具有自己的特色。在波数扫描机构上采用国内研制的高精度线性编码器,并利用微机实行闭环控制,保证了波数精密度和波数重复性。在确定LRZ-Ⅰ型仪器设计方案时,决定将仪器设计成既可手控,也可由微机控制;并要求在采集光谱数据后,能对数据进行多种处理,能以不同方式显示或输出;还要求操作方     

编码孔径成像光谱仪光学系统设计

本文设计了一种以双Amici棱镜为分光元件的成像光谱系统,该系统主要包括前置望远物镜、编码板、双Amici棱镜、准直镜和成像镜.此类光学系统可以获得很高的衍射效率,相比于狭缝结构的成像光谱系统,该光谱仪为两维空间扩展的视场,无疑增加了设计难度.后期的数据反演算法对一次像面编码板的成像效果过于依赖,基于此,对光学系统的像差校正提出了更高的要求.本文设计、分析了基于双Amici棱镜的成像光谱仪的原理及特点,设计了一套完整的成像光谱系统.前置望远物镜的设计为像方远心,MTF在39线对处,达到0.8,成像质量良好.创新性的将前置望远物镜倒置用做准直系统.全系统各个波长在39线对处的MTF值均在0.65以上.对室外目标景物进行推扫成像,从获得的成像数据判断,本文设计的编码孔径成像光谱仪原理可行,衍射效率高,全视场成像质量良好,全谱段光谱数据可信.     

太阳极紫外成像光谱仪光学系统设计

在极紫外波段对太阳进行超光谱成像观测是研究太阳上层大气,日冕中等离子物理特性的重要手段。依据太阳极紫外成像光谱仪的应用,结合国内外极紫外成像光谱仪发展现状,制定了太阳极紫外成像光谱仪的性能指标。通过比较各种光学结构的优缺点,选择望远镜与光谱仪组合的结构。讨论并选择了可用的基本元器件,望远系统采用离轴抛物面反射镜,分光器件为高密度超环面等间距光栅。设计出符合指标的光学系统。最后给出了太阳极紫外成像光谱仪的设计过程、详细参数与结果。光学系统的工作波段为17.0～21.0nm,视场是1 228″×1 024″,空间分辨率达到0.8arcsec.pixel-1,光谱分辨率约为0.001 98nm.pixel-1,系统总长度约为2.8m。     

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。     

微型宽波段光谱仪光学系统设计

针对国内基于M型Czerny-Turner结构的宽波段微型光谱仪研究较少的情况,对微型宽波段光谱仪进行了设计,并提出了完整的设计流程。根据几何光学原理,分析了光学系统各个参数之间的约束关系,据此设计、计算得到了光学系统的基本参数,并使用Zemax进行仿真。为了提高仪器的紫外响应,在CCD的前端增加了Lumogen镀膜的滤光片。实际制做的光谱仪测量结果表明:光谱仪的分辨率在200 nm~1100 nm全波段范围内达到1.5 nm,中心分辨率达到1 nm,满足设计需求。     

激光拉曼光谱仪的全系统校正

提出了一套对激光拉曼光谱仪进行全系统校正的完整方案，并在一台ＳＰＥＸ １４３０型双单色仪单道拉曼光谱仪上全面实现了这套校正，包括谱仪的波数精度及重现性，狭缝函数，光谱分辨率，功率传递系数，光谱响应，偏振光谱响应，偏振传递性能及寄生谱带检查。结果表明，在激光拉曼谱测量中许多源于光谱仪体系的测量误差实际上是不可避免的，因此对常用的谱仪要作日常的状态监控和至少一次全面系统校正，是激光拉曼谱学研究的先决条