小型长波红外光栅光谱仪光学设计

光学系统是光谱仪微小型化的关键,光学设计的质量将直接影响微小型光谱仪的性能.针对长波红外光谱探测的具体应用,对比国内外各种方案,分析其优劣后提出一种基于交叉非对称切尔尼-特纳(Czerny-Turner)结构的小型光栅光谱仪.首先根据光谱仪基本原理和光学设计理论,分析系统的光谱分辨率、像差以及探测灵敏度.然后以小型化、低成本、要求的光谱范围和分辨率为具体设计目标,对系统进行优化设计.最后在光学软件Zemax中进行模拟和优化.设计结果表明:该系统的光谱范围为8～14μm,光谱分辨率优于80nm,光学系统尺寸约为100mm×75mn×45mm,满足小型化要求.同时采用扫描光栅配合单通道探测器的方式降低成本.     

紧凑型红外成像光谱仪光学设计

为降低成像光谱仪对工作平台体积质量的需求,优化光路布局,提高系统的热适应性,阐述了一种紧凑型红外成像光谱仪的光学系统设计。考虑结构尺寸和像差平衡,光学设计中引入了扩展多项式面型。系统光谱范围为1~3.4 m,F/数为2.86,光谱采样间隔为7.5 nm。光学系统由一个自由曲面三反射镜望远镜和一个基于平面光栅的自由曲面光谱仪组成。望远镜准远心设计,与后方远心光谱仪光瞳匹配,无畸变且像方空间便于其他结构模块布局。光谱仪像质优良,光谱畸变校正良好,像面倾斜得到改善便于探测器布局。从光栅衍射效率设计、杂散光抑制和光机一体化集成镜件设计三方面对该系统作了分析,结果表明系统具有工程可行性。     

offner型连续变焦中波红外光谱成像系统设计

为了适应不同视场光谱仪的应用需求,设计了一款offner型连续变焦中波红外光谱成像系统。该系统引入前置变焦系统实现60~300 mm范围连续变焦,同时采用光栅型offner同心结构进行光谱分光及成像,系统工作波段为3~5 m,选用制冷型红外探测器,系统F#=4.0。根据物像交换原则及光焦度分配原则对前置变焦系统和中继系统的初始结构进行了计算,并应用zemax软件对各子系统进行优化,使其满足设计参数要求。最终offner型连续变焦中波红外光谱成像系统的调制传递函数在空间频率33 lp/mm处接近衍射极限,点列斑均方根半径均小于一个像元大小,设计的结果显示系统结构简单,在各个焦距位置及各谱段下,像质均满足了设计指标要求,成像质量良好。     

一种新型双光栅光谱仪光学系统设计与优化

由于所需测量的光谱范围较宽（276～700 nm）,而CCD 探测器的接收面尺寸较小（14.3 mm10.5 mm）,根据所选用的平面光栅元件参数,采用传统的车尔尼-特纳型结构是无法满足的。基于该结构,利用光线相对光栅的入射角和衍射角与光栅转角的关系,提出了使用两块反射式平面光栅进行光谱分离的方法。通过理论计算,确定了两段光谱范围和两光栅的旋转及俯仰角度,采用ZEMAX 软件建立多重结构,分别设置两块光栅的位置和波长参数,对光学系统进行了模拟分析和优化。结果表明,在像面上得到了两条谱面线展宽为14mm,中心间距8mm的光谱带,光谱分辨率优于1nm,各像差得到了充分校正,满足设计指标要求,很好地解决了宽光谱和探测器接收面尺寸之间的矛盾。     

折/衍混合多光谱红外成像光谱仪离轴系统设计

采用二元光学透镜作为分光元件的多光谱成像光谱仪,由于焦距随波长的变化改变了系统的F数,因此改变了系统的放大率,从而引起光谱图像的像元配准误差。为改进基于二元光学透镜的多光谱成像光谱仪的性能,首次提出将离轴三反射镜系统与具有二元光学透镜的变焦距系统相结合的新技术方案。设计了由三片二次非球面生成的无中心遮拦的前置望远镜,该望远镜不仅有利于提高多光谱成像光谱仪的集光能力,且有利于系统的小型轻量化。同时设计了含二元光学透镜的三片型变焦距组件,用来消除多光谱成像光谱仪的像元配准误差。整个多光谱成像光谱仪系统仅有6个单片,非常简单。另外,该系统在空间频率为20 c/mm时MTF超过0.3,充分满足红外焦平面探测器对多光谱成像系统分辨率的要求,像面尺寸为7.2 mm。适用于探测单元尺寸为25μm、规格为128×128元的红外焦平面探测器。     

天基光丝激光雷达光谱仪光学系统设计

为了实现光丝激光雷达系统的天基应用,开展了天基光丝雷达光谱仪光学系统设计,根据应用需求确定光谱仪光学系统构型主要由望远系统、狭缝、准直系统、平面光栅、成像系统构成;为了解决谱段宽可能引入的色差问题,光谱仪系统采用全反射结构设计;完成了光学系统与各项指标分析,通过设计可达到以下指标：光谱仪谱段范围为320～950 nm,光谱分辨率为2 nm,光谱仪最大色畸变为1.1μm（即0.07 pixel）,3个像元内的能量集中度大于96%,光学传递函数MTF在3.7 lp/mm下可达到0.99。所设计的光谱仪系统可用于星载大气成分高分辨率光谱探测。     

机载红外推扫成像光谱仪光学设计

红外成像光谱仪适用于火山活动探测、森林火灾监测、城市化影响分析、地球表面研究及军事伪装识别等方面。文中基于Dyson 中继系统,设计使用波长范围为7.5~10 m 的长波红外成像光谱仪,采用凹面衍射光栅分光,系统F 数达到1.2,视场角18,空间分辨率为1 mrad,光谱分辨率为50 nm,NETD 小于0.3 K,调制传递函数接近衍射极限,光学系统体积为72 mm39 mm39 mm。该系统具有集光本领强、固有像差小、结构紧凑等优点。对其杂散热辐射分析表明,采用实入瞳作为冷光栏和整体制冷的方法,能有效地抑制光机系统自身的热辐射。     

空间高光谱成像仪的光学设计

空间高光谱成像仪是现代空间遥感器的新型载荷,设计的空间高光谱成像仪光学系统由前置望远系统和光谱成像系统两部分组成,对前置望远系统和光谱成像系统分别设计,再进行组合优化。前置望远系统采用离轴三反结构,在增大幅宽、提高成像质量的同时减小高光谱成像仪光学系统的畸变。为了保证光学系统结构的紧凑,前置望远系统采用视场分离的方式设计,进一步提高了光学系统的分辨率。凸面光栅是现代光栅刻划技术的最新成果,光谱成像系统采用次镜为凸面光栅的Offner光栅光谱仪,实现了光谱成像系统的高分辨率与小型化。组合优化后的高光谱成像仪光学系统幅宽大、体积小、成像质量好、光谱分辨率高、光谱通道数多,全视场全谱段MTF在Nyquist频率下高于0.7,成像弥散圆80%的能量集中在15 m范围内,小于探测器18 m的像元尺寸,均高于系统技术指标要求。     

基于DMD的小型近红外光谱仪原理及优化分析

数字微镜器件小型近红外光谱仪器具有检测速度快、灵敏度高、无损伤检测、仪器小型化等优点,广泛应用于化学成分分析和质量检测。然而,作为仪器设计的前提,整个光谱范围的光学优化设计是系统的难点。文中研究了基于数字微镜器件小型近红外光谱仪的光谱成像系统的理论设计方法。该方法采用双配消像差透镜,结合几何像差理论,对小型数字微镜器件近红外光谱仪的设计进行了优化,以降低整个系统的像差。然后,利用光学仿真软件对准直接成像系统进行光学仿真。最终达到设计仿真要求。仿真结果表明,该分光计的整体尺寸小于150 mm×150 mm×150 mm,在工作波段1000~1700 nm范围内,其分辨率优于15 nm。因此,该方法能满足设计要求,在实际应用中具有广阔的应用前景。     

光谱维编码中红外光谱成像系统的光学设计

基于双DMD提出了一种光谱维编码的中波红外光谱成像系统,利用空间维DMD完全补偿了光谱维编码DMD引起的像面倾斜。介绍了系统的组成和工作原理,设计了焦距为240 mm、F数为3的望远系统作为前置成像单元,采用双光路Offner光栅成像系统配合光谱维编码DMD同时实现了光线的色散、编码和合光等多个功能,设计了放大倍率为1的中继成像系统实现冷光阑匹配。通过整体优化设计实现了对双光路Offner光栅成像系统残余像差的补偿,设计结果表明,系统具有良好的空间成像和光谱性能,作用距离满足设计要求。     

基于LCTF的艇载多光谱CCD相机的光学系统设计

提出了一种基于液晶可调谐滤光片(LCTF)多光谱CCD相机光学系统设计方案,该光学系统焦距60 mm,F数为3.5,谱段范围400～720 nm,视场角16.6°.采用前置扩束光学系统获得满足液晶可调谐滤光片孔径、视场角要求的光束,后继成像系统采用双高斯型结构,像质分析表明,此设计能够满足使用要求,在谱段范围内,16个波段都能清晰成像,满足实际工程需要.     

瞬态短波红外光谱仪光学系统设计

设计了瞬态短波红外光谱仪的光学系统。论述了光谱仪的工作原理和光学系统方案选择,对CZ-ERNY-TURNER结构形式的光谱仪进行了光学设计和像差分析。该光学系统的波长范围为900～1700nm,光谱分辨率达到5nm,谱面20mm不平直度0.021mm。光学系统性能接近国外同类产品水平。     

基于Offner凸面光栅星载CO2成像光谱仪光学系统设计

星载CO₂成像光谱仪具有图谱合一、高空间分辨率、高时间分辨、非接触和长期监测的优点,已成为监测全球温室气体变化的重要手段之一。为解决大视场因入射狭缝较大,信噪比低,成像质量不佳的问题,文中对Offner成像光谱仪的光学系统初始结构设计提出了一种新方案。该方案基于在30 mm狭缝处发出的子午光线、弧矢光线在中心波长处相切,提高入射光线在整个光谱范围内的利用率。利用光学设计软件,设计在1594~1619 nm波段范围内,F数为2.5,光谱系统分辨率为0.1 nm的成像光谱仪。设计结果表明,点列图均方根（RMS）半径小于5 μm,系统在33 lp/mm处的传递函数优于0.7。此外,该系统采用像元合并（即扩展像元）的方法,进一步提高光谱信号的探测强度,该设计方案能够满足应用于星载CO₂成像光谱仪大视场、高光谱分辨率和高信噪比的遥感探测需求。     

应用全息变间距光栅的极紫外成像光谱仪光学系统设计

随着对太阳等离子体活动物理过程研究的深入,对太阳极紫外成像光谱仪的性能要求越来越高,而设计高性能太阳极紫外成像光谱仪的一个重要方法就是应用变间距光栅。提出了一种应用全息变间距光栅的太阳极紫外成像光谱仪的设计方法：首先设计系统的初始光学结构,然后根据全息变间距光栅光程差原理,利用1stopt软件的通用全局优化算法计算出像差小的光栅,最后用Zemax软件对整个系统进行建模与优化。给出了设计实例,设计出的太阳极紫外成像光谱仪工作波长范围为17~21 nm,视场为2400″,空间分辨率为0.6″,光谱分辨率为0.00225 nm/pixel,长度约为2 m。在光谱范围内,空间方向与光谱方向的均方根半径以及截止频率范围内的调制传递函数均满足要求。     

成像光谱仪的离轴反射式光学系统设计

高分辨率成像光谱仪要求光学系统在宽视场和宽波段范围内具有高的空间分辨率和光谱分辨率。根据同轴三反光学系统初级像差理论计算初始结构,并分别将孔径光阑置于主镜、次镜和三镜焦点,通过光阑和视场离轴,设计了无中心遮拦的离轴反射式光学系统。其光谱范围为1.0~2.5 m,焦距f=1 600 mm,相对孔径为1/ 5,视场角为6.861.48,满足成像光谱仪宽视场、大相对孔径离轴三反消象散光学系统的设计指标。