空间外差拉曼光谱仪成像镜头光机热集成分析

便携式空间外差拉曼光谱仪集成了光学功能镜头、干涉仪组件,以及探测器和激光器等热辐射器件,因此仪器在使用过程中存在着较为复杂的热环境,环境温度变化导致光学系统性能下降。采用光机热集成分析方法,重点研究了环境温度及热辐射器件对关键器件成像镜头的性能影响。在便携式空间外差拉曼光谱仪光学和结构方案设计的基础上,建立热-结构耦合模型;仿真得到成像功能镜头内镜片的间距和面形的变化,并利用Zernike多项式拟合其变化;将拟合结果代入光学设计软件中进行成像质量评估和分析。结果表明,在使用环境温度(-10℃~40℃)范围内,调制传递函数在光谱仪截止频率76.9 lp/mm处对比度均优于0.38,满足便携式空间外差拉曼光谱仪的使用要求。     

红外镜头的光机热集成分析研究

 为了使红外镜头能够在宽的温度范围内工作,在红外光学系统的设计时就要充分考虑热对光学性能的影响,并要进行光机热集成分析。论述了光机热集成分析方法及流程,并设计了一个焦距f=200 mm的冷光栏匹配的宽工作温度的红外镜头。建立了红外镜头的有限元模型并进行了热力学分析,对分析的镜面变形结果数据进行了处理,得到各镜片间隔和面形变化,代入光学软件得到了热环境对光学成像质量的影响。分析结果表明,对于-40℃~+60℃红外镜头的各个视场,16线对的调制传递函数都大于0.5,具有良好像质。所设计的红外镜头结构简单可行,能够满足设计要求。     

空间光学遥感器光机热集成分析技术综述

介绍了光机热集成分析技术的基本原理及其关键技术———数据传输技术的研究现状和最新进展。通过接口工具Zernike多项式进行数据传输的基本过程是:数据处理,即将有限元分析中得到的变形结果转换成基于弧矢坐标系或基于波前坐标系的数据形式;多项式拟合,即利用最小二乘法或Gram_Schmidt正交化方法进行拟合。提出了自动数据转换接口程序,它能够简化光机热集成分析的过程,可提高工作效率。     

激光器光学系统光机热集成分析方法

论述了光机热集成分析方法原理及接口多项式,并将其应用于某激光器光学系统进行光机热集成分析。该分析方法首先对光学系统进行热分析、结构有限元分析计算,获取激光辐照下光学元件表面的结构变形;其次,对有限元计算的光学元件变形结果数据进行Zernike面形拟合处理;最后将变形后的光学表面导入到通用光学设计分析软件,分析激光器光学系统变形后产生的各类光学像差。结果表明：利用集成分析方法能够分析光学元件产生热变形对激光系统成像质量造成的影响,为光学系统设计提供参考。     

中波红外镜头光机热集成设计分析研究

基于光机热集成设计分析,设计了一种扩展中波红外定焦镜头光机系统(焦距f=60mm,工作波段2.5~5.3μm),在设计光学系统和光机结构时就充分的考虑了环境温度、系统热变形对光学性能的影响,建立了镜头组的有限元模型,并基于-40^+60℃的实际温度载荷展开了热力学分析,对热分析后各镜片的节点位移和面型变化通过Zernike多项式作为数据接口导入光学设计软件,给出了各典型温度值下镜头组的传递函数图。分析结果表明,在-40^+60℃区间红外镜头的各个视场成像质量良好,所设计的红外镜头结构可靠、简洁,能够满足设计和使用要求。     

KrF深紫外光刻投影物镜光机热集成分析与优化

提出了一种融合新型支撑方式与灵敏度分析的光机热集成分析与优化方法,用于设计超高精度深紫外光刻投影物镜系统。首先,采用轴向多点与周向三点胶接支撑相结合的新型支撑方式,实现了212.51 mm口径光学元件的超高精度定位要求。其次,通过对光学元件进行热力耦合分析,验证了光机系统的合理性。然后,在光机热集成分析条件下,分析了单个光学元件的灵敏度,以及全部光学元件表面变形对整体光学系统波像差均方根值和校准F-tan θ(F为焦距,θ为物方视场角)畸变的影响。最后,通过调整部分光学元件的灵敏度进行局部优化,并对整体光学系统的像质进行优化。结果表明：在热力耦合条件（参考温度为22.5℃、极限工作温度为±2.5℃、重力）下,光学元件的最大表面面型均方根（RMS）值为9.86 nm,能够满足超高精度定位要求。在光机热集成分析条件下（参考温度为22.5℃、极限工作温度为±2℃、重力）,优化后光学系统的波像差RMS值小于10.50 nm,校准F-tan θ畸变小于6.00 nm,相较于优化前,波像差RMS提升了46.98%,校准F-tan θ畸变提升了77.69%,达到了设计要求。     

一种用于光机热集成分析的新方法——干涉图插值法

Zernike多项式是光机热集成分析中实现光、机、热各分析软件之间数据传递的重要工具。许多光学元件表面形状并不满足Zernike多项式的正交性条件，使有限元分析不能精确拟合光学元件表面变形及变形产生的各项像差。讨论影响Zernike正交性的几个因素，详细介绍将有限元分析得到的光学表面变形数据导入光学分析软件的一种新方法——干涉图插值法。该方法避开Zernike多项式拟合，在去除镜面刚体位移后将镜面畸变精确地表示成干涉图数据，直接生成数据接口。     

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。     

基于光机集成仿真技术的摆镜特性分析

为考察相关跟踪系统摆镜在静力和动力载荷工况下面形参数是否满足工程需求,基于光机集成仿真技术对相关跟踪摆镜特性进行了分析,得到了在静力和时间历程载荷所对应的三种工况下的面形变化分布和面形表征参数,并对仿真结果的数据可靠性进行了数值角度验证。结果表明,光机集成仿真方法可以有效地消除由动力载荷产生的主动刚体位移,可得到摆镜面形参数和在动力载荷作用下不同时刻的摆镜面型变化,弥补了在实验条件下难以测得由动力载荷作用的面形参数和面形分布情况。当1g加速度载荷在摆镜光轴方向上时,静力载荷对面形的影响起主导作用;当1g加速度载荷不在摆镜光轴方向上时,动力载荷对面形的影响起主导作用。通过光机集成仿真结果对所设计的摆镜在相应工况下的面形进行有效评估,获得了有意义的设计指导数据。     

超光谱成像仪狭缝热光谱特性的分析

介绍了在狭缝超光谱成像仪中的重要作用。推导出在温度水平变化时,狭缝宽度尺寸的变化对超光谱成像仪光谱带宽与信噪比的影响,得到了超光谱成像仪狭缝的热光谱特性。比较了两类常见狭缝的热光谱特性,得出热特征尺寸与其导热率乘积越小的狭缝热光谱特性也越好的结论。     

Spectral domain optical coherence tomography imaging with an integrated optics spectrometer

We designed and fabricated an arrayed-waveguide grating (AWG) in silicon oxynitride as a spectrometer for spectral domain optical coherence tomography (SD-OCT). The AWG has a footprint of only 3.0 cm × 2.5 cm, operates at a center wavelength of 1300 nm, and has 78 nm free spectral range. OCT measurements are performed that demonstrate imaging up to a maximum depth of 1 mm with an axial resolution of 19 μm, both in agreement with the AWG design parameters. Using the AWG spectrometer combined with a fiber-based SD-OCT system, we demonstrate cross-sectional OCT imaging of a multilayered scattering phantom.     

Microball lens integrated fiber probe for optical frequency domain imaging

An integrated microball lens fiber catheter probe is demonstrated,which has better lateral resolution and longer working distance than a corresponding bare fiber probe with diverging beam for Fourier domain optical coherence tomography(FDOCT) . Simulation results are shown to gain the effect of the distance between the microball lens and the bare fiber to the focusing plane and beam width. The freedom of modifying the working distance and lateral resolution is shown. This is achieved by changing the gap dis...     

基于集成分析法的光机热一体化设计

光机热一体化设计是改进空间光学仪器设计,优化系统总体设计参数的重要方法。集成分析法对设计方案综合性能的动态评估是一体化设计的核心,通过分析系统热光学性能,指导修改设计参数,实现系统光/机/热同步设计。以某空间光学仪器主镜系统的热控设计为例,介绍了这种方法在实际工程中的应用。     

基于光-热-结构模拟的罗兰圆型光谱仪热工况优化设计

针对目前紫外光谱仪热工况优化研究缺乏的问题,该文设计出一款探测范围为200 nm～450 nm、全波段分辨率不低于0.2 nm的罗兰圆光谱仪,并耦合光、热、结构模拟对其光室热工况开展优化研究。热仿真结果表明:在无加热、无入口风速下光谱仪底座温度、温差随时间不断增加,难以达到热平衡;优化光室入口风速,发现当入口风速为0.8 m/s时,整体温度降至36.103℃～39.859℃;基于光学器件间的热变形量的计算,光学器件截距总热变形量为0.203 mm;优化加热方式,发现顶层式加热方式最佳,整体温度降至34.241℃～36.139℃,光学器件截距总热变形量降至0.122 mm。对此进行光学仿真,结果表明,优化工况后的罗兰圆光谱仪工作热变形后可清晰分辨出两束波长相差0.2 nm的光束。     

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     

利用光谱和质谱成像技术实现指纹痕量检测

近年来,依赖于先进光源的化学成像技术迅速发展,极大提高了痕量检测的准确性,在公共安全、环境、食品、医药、考古等领域具有重要的实用价值.在痕量检测中,通过将成像技术与光谱测量技术、质谱技术等相结合,能够同时获取检验对象的物质组成和二维图像信息,不仅可以揭示材料表面的痕量物质成分及其分布,还可以在提高检验灵敏度的情况下,减少甚至避免传统检测手段所需要的特殊显现剂,因此与其他检验方法具有良好的兼容性.本文以指纹检验这一典型的痕量检测问题为例,阐述基于光谱和质谱成像技术的化学成像方法在痕量检测领域中的应用,从定向针对特定组分的化学成像和非定向的直接化学成像两个方面,综述了在指纹显现或显现增强中获得应用的主要成像手段,包括可见-近红外成像、红外成像、拉曼成像、质谱成像等.     

紫外-真空紫外成像光谱仪校准技术研究

紫外-真空紫外成像光谱仪在我国空间探测中的应用越来越广,在其研制过程中需对其进行校准,但目前国内尚无针对紫外-真空紫外成像光谱仪的计量标准,无法保证测量结果的准确可靠。该文设计了一种紫外-真空紫外成像光谱仪校准装置,实现对紫外-真空紫外成像光谱仪的光谱范围、波长、光谱响应度、空间角分辨率、均匀性等参数的校准。经测试验证,波长测量不确定度为0.080 nm（k=2）,光谱响应度测量不确定度为6.8%（k=2）,空间角分辨率测量不确定度为0.022 mrad（k=2）,均匀性测量不确定度为4.2%（k=2）。     

集成光学电光调制干涉光谱仪的模式谱分析

基于钛扩散铌酸锂(Ti∶LiNbO3)波导的集成光学电光调制技术的干涉光谱仪是Ti∶LiNbO3调制器的一种崭新应用,一般应用的探测光谱区间是在波导的单模区间。为拓宽探测波长范围至多模传输范围,以x向切割,y向传输。以共面对称电极的Ti∶LiNbO3波导电光调制干涉器(器件长度60mm)为例,模拟了多模传输时电光调制系数的模式色散现象。数值模拟中采用了有限差分方法(FDM)。分析表明,在多模传输情况下,光的各阶模式的光场分布差异导致了电光调制系数的模式色散;在对经线性扫描电压调制后的干涉输出数据进行傅里叶变换谱分析后,可发现对应波长的各阶传输模式谱。实验采用0.808μm单模偏振光源,在激励起准TE多模式和激励起混合模两种情况下,验证了数值模拟和分析的结果。