共光路空间外差干涉仪理论与性能分析

介绍一种利用一块光栅兼作分束器和色散器的Ｓａｇｎａｃ型空间外差干涉仪的基本结构和原理,利用光波传播角谱理论详细分析给出此干涉仪形成的干涉图样和条纹定域位置。作为无动镜傅里叶光谱仪的干涉分光系统,阐明分光原理,给出理论仪器函数、无谱分辨极限和分辨本领、工作光谱范围、及光通量和视场等性能。指出它兼有传统傅里叶变换光谱仪和光学多通道分析仪（ＯＭＡ）的优点。     

偏振光谱识别光学系统的复原方法与设计

为准确方便获取4个波长相关的斯托克斯参量,可采用强度调制型偏振光谱成像技术,从偏振光谱强度调制理论与傅里叶变换解调方法入手分析推导计算了偏振光谱信息的复原过程,据此得到了系统的基本结构。以模块化设计的思路分别设计了光谱部分光学系统的前置望远物镜及Offner分光系统,设计结果实现了在400~1 000 nm谱段光谱分辨率1.24 nm,并结合光谱系统参数匹配设计完成了前端偏振光谱调制模块,给出了一套完整的设计实例。最后通过实验验证了偏振光谱调制模块设计的合理性与傅里叶变换解调方法的可行性,为偏振光谱信息复原奠定了基础。     

傅里叶光谱仪的光程扫描控制系统设计

为实现高信噪比、高光谱分辨率的光谱探测性能,在时间调制型傅里叶变换光谱仪中,需要控制反射镜往复精密摆动,完成干涉光程差的均匀扫描调制。首先分析了光谱探测性能对光程扫描控制性能要求间的关系;在此基础上,针对星载干涉仪对光程差扫描的高性能要求,给出了一种基于极点匹配的控制器设计方法。该方法借助于状态反馈设计结果,采用易于工程应用的前项和前馈环节加以有效实现,简化了控制器的设计与实现难度。通过仿真试验,验证了该方法的有效性。     

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。     

像面干涉成像光谱技术中的复原方法

与传统的干涉成像光谱技术相比,像面干涉成像光谱技术具有高光通量、高光谱分辨率、高目标分辨率等优点。在介绍像面干涉成像光谱技术的基本原理基础上,提出了通过推扫横向剪切分束器对目标进行探测的方法,省去了传统推扫方法中提取物点干涉信息时的图像配准过程。研究了信息处理中去直流项、切趾等预处理问题,分析了相位误差校正方法及各种方法的优缺点。搭建Sagnac型像面干涉成像光谱实验装置进行了光谱重构实验,复原了被测光源的光谱曲线,并复原了探测目标在各个谱段的光谱图像。     

应用于光纤相位调制的压电陶瓷驱动电源

为提高光纤傅里叶变换光谱仪的光谱分辨率,设计了应用于光纤相位调制的压电陶瓷驱动电源.驱动电源由低频信号发生部分和高压放大部分组成.利用幅频波特图和开环相频图进行分析,深入讨论了驱动电容值较大的容性负载时的电路稳定性.实验表明使用该电源能实现光纤傅里叶变换光谱仪的高分辨率.     

面阵探测器对风云四号大气垂直探测仪的影响*

进行大气科学研究的傅里叶变换光谱仪, 必须具备高分辨率、高准确度的精细光谱才能对温度、压力和浓度等物理量进行反演。干涉仪中光线的离轴效应使仪器光谱函数发生变化。采用直接计算干涉调制函数的方法, 研究了面阵探测器各个探测元离轴位置对光谱函数形状的影响; 针对干涉仪使用的16×4 元面阵探测器, 模拟探测元不同位置的光谱函数参量的特性, 结果将在仪器光谱定标中得到应用。     

傅立叶变换光谱仪信号调制度下降的分析

从理论上分析了一些引起傅立叶变换光谱仪信号调制度下降的原因,具体的就平面镜面形、偏振态、探测器横向位置偏移、平面镜倾斜、角锥反射镜顶点之间的横向偏移等作了一定的分析,得到了几个重要的公式,并就这些公式的用途作了简短的说明。     

Analysis and experimental study of low-stepped mirror in light FTIRS

The structural parameters of low-stepped mirror which is the core component of a light Fourier transform infrared spectrometer (FTIRS) have important influence on the performance of the instrument. A simple method of multiple deposition is proposed to fabricate a low-stepped mirror with step height of 625 nm, for its high precision, high efficiency and miniaturization. So the film stress will be introduced in the process of coating, which can lead to step deformation. We build a bending model of the low-stepped mirror and analyze the influence of its deformation. The light intensity and spectrum are changed by the step deformation. Therefore, the film stress should be reduced in order to ensure the accuracy of the spectral information. Increasing the thickness of substrate is proposed in this paper to reduce the step deformation, besides adjusting the coating temperature and adding sub-layer. Our results reveal that the basic requirements of the system are satisfied when the thickness of the substrate is 5 mm in the appropriate coating environment. An FTIRS based on stepped mirrors and grid beam splitter is assembled and corresponding experiment is carried out to obtain the spectrum curve of acetonitrile.     

便携式地面成像光谱辐射计的设计

设计了一种基于棱镜-光栅-棱镜（PGP）的便携式地面成像光谱辐射计。系统的波段范围为可见一近红外,共有344个波段,光谱分辨率优于10nm,空间分辨率优于1mrad。本文以混合像元分解研究为应用背景,阐述了地面成像光谱辐射计的基本原理,分析了系统的主要技术指标,详细论述了系统设计,并对系统进行了相关测试。结果表明,系统具有较高的光谱、空间分辨率及良好的便携性,工作稳定可靠,非常适合在野外环境中应用,从而验证了便携式地面成像光谱辐射计用于混合像元分解研究的可行性。     

光学薄膜中界面层和表面吸附层对相位延迟的影响

多层介质反射镜在非正入射的时候,两个不同的偏振态之间会产生不同的相移.根据空气与膜层、膜层之间的实际情况,建立了界面层和表面吸附层模型,并运用它分析相位延迟产生误差的原因.通过优化设计,入射角为 54°,在 1285~1345nm之间p,s波获得了 270±1°的相移,同时也使反射率在 99. 5%以上.用离子束溅射技术制备相位延迟膜,用分光光度计测试了光谱特性和用椭偏仪测试了相位特性,在相应波段获得了 262. 4±1. 8°的相移,同时也使反射率在 99. 6%以上.误差的主要来源是离子源工作特性会产生不均匀的过渡层和最外层会吸收一些水汽、灰尘等也产生表面过渡层.由误差分析得出了制备中过渡层的物理厚度和折射率的变化情况,最外层的厚度误差和折射率偏差是发生相移偏小的主要因素.     

Standing-wave Fourier transform interferometer with an HPT

A compact standing-wave Fourier transform interferometer is experimentally demonstrated in a very broad band. By using an InP-InGaAs-InAlAs heterojunction bipolar phototransistor (HPT) and a PZT-controlled scan mirror, a resolution of 37.5cm/sup -1/ was achieved with a mirror travel length of only 32/spl mu/m at the fifth harmonic order spectrum component. The experimental results agree well with the mathematical models, and the interferometer resolution could be further improved.     

Spatiospectral digital holography of microobjects in low-coherence light

Principles of Fourier spectrometry are used for holographic imaging of microobjects in white light. It is demonstrated that a set of the output 2D interference patterns of the spectrometer that correspond to the translation of moving mirror make it possible to reconstruct amplitude and phase distributions of a microobject in an arm of the spectrometer for any spectral component of radiation. Experimental results on the reconstruction of amplitude and phase images recorded in white light are presented.     

基于F-P腔的干涉/强度调制型光纤温度传感器

介绍了一种基于非本征F P腔的干涉/强度调制型光纤温度传感器。宽谱光源发光二极管(LED)发出的光经过2×2耦合器C1 传给F P传感头,传感头返回光信号再次经过耦合器C1 及C2 后分成两路,一路直接传给光电探测器D1,另一路经过窄带滤光片再传给D2,光信号经光电转换及放大后由计算机采集处理。给出了采用不同谱宽的两路光信号进行自补偿运算和温度测量的理论模型,并简单分析了影响这一温度传感器长期稳定性的原因。实验中利用Levenberg Marquardt非线性拟合得到与理论模型符合很好的温度定标曲线。该传感器在 20~200℃量程内,温度变化最小分辨率达到0 .1℃,长期测量精度达到±0. 2℃。     

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.     

表面等离子体波成像传感器的实验研究

基于表面等离子体激元共振光强调制传感器原理与高分辨率显微成像系统的优势,介绍了一种结构简单而且成本较低的高灵敏度新型表面等离子体波成像折射率传感器,具有高灵敏度、免标记和高通量等优点,可以应用于生物、环境监测等领域.利用自行研制的SPRI光路系统开展了不同折射率的蔗糖溶液的单通道成像检测实验,获得了反射光强与待测溶液折射率的关系曲线.分析了影响实验灵敏度的几个主要因素,为系统改进提供了依据.实验结果表明:在最佳角度下,该传感器实验系统的检测精度达到了3.6×10-4 RIU.为实现小型化、高通量、多通道检测的SPR生化技术的发展奠定了基础.     

紧凑型空间调制傅里叶变换光谱仪

提出了一种结构简单的紧凑型空间调制傅里叶变换光谱仪,它是基于由两块半五角形棱镜构成的环行共光路干涉分光装置和电荷耦合器件（CCD）,具有无机械扫描、全谱同时测量、通光能力强、结构性能稳定和制造成本低等优点。给出了这种光谱仪的分光原理,系统结构及实验结果,并验证了这种结构的可行性。     

中红外平面光栅光谱仪系统光学设计与优化

利用红外热电堆阵列探测器作为光接收器,以小型化且能满足一定光谱工作范围和光谱分辨率为设计指标,根据光谱仪器设计理论和像差理论,设计了一种Czerny-Turner结构中红外平面光栅光谱仪。系统采用双离轴抛物面镜作为前置光路缩减了光学系统尺寸,采用超环面聚焦镜校正了像散。运用ZEMAX设计软件对中红外平面光栅光谱仪的前置光路、色散成像系统进行设计、优化和分析。最终分析结果表明,该系统光谱工作范围为8.04~13.96 m,光谱分辨率优于80 nm,F数为2,光学结构特征尺寸约为150 mm200 mm70 mm,满足设计指标。     

数字化红外焦平面探测器光谱响应测试系统研究

针对目前没有设备可对数字化红外探测器的光谱响应进行测试,利用可测模拟电平输出型红外探测器光谱的傅里叶光谱仪,研制了一块电路板装置,实现了将数字化红外探测器转换为与模拟红外探测器一样的输出形式,解决了数字化红外探测器光谱无法测试的问题,且具有结构简单、一板多用等特点,可在不同型号的傅里叶光谱仪上使用。该方式成本低且易实现,不仅操作简单,而且测试性能稳定,适应于各种形式的数字化探测器,使得数字化红外光谱响应测试系统具有更高的兼容性和灵活性。首先对红外光谱响应测试系统进行了介绍,然后对所研制的模数电路板装置进行了原理分析,最后对此电路板进行了硬件实现,并编写了内部测试程序,进而完成了功能验证。理论分析和硬件功能验证表明,带有新研制模数电路板装置后的红外光谱测试系统不仅可以实现不同位宽输出的数字化面阵探测器或线列探测器光谱测试,而且光谱测试结果准确可靠。     

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。