消像差Offner成像光谱仪的研究进展

为了获得消像差Offner成像光谱仪,以三镜系统为基础综述了Offner成像光谱仪的各种消像差方法,介绍了由两块不同曲率半径凹面镜与凸面光栅构成的Offner成像光谱仪和狭缝与刻槽成不同方向的Offner成像光谱仪的消像差方法,并得到面内结构及正交结构两种成像光谱仪结构,其中正交结构在消像差方面更具优势,为获得高质量Offner成像光谱仪提供了理论基础。     

Offner型消热差中波红外成像光谱仪设计

为了满足中波红外光谱分析的需要,设计了Offner型中波红外成像光谱仪。在分析红外系统消热差方程的基础上,明确通过选择不同热特性材料的合理组合可以设计出合理的消热差光学结构;在分析Offner结构原理的基础上,建立了一种简化的初始结构求解过程以及采用光学仿真软件进行优化的设计方法。最后,利用该方法设计了工作波段为3~5 m的推扫式成像光谱仪,并进行了一体化消热差设计,工作温度范围为-40~100℃,全视场范围内的弥散斑小于30 m,调制传递函数值在空间截止频率16.7 lp/mm处均大于0.35,光谱分辨率小于15.6 nm,具有较好的光谱分光性能。     

Offner型成像光谱仪前置光学系统设计

针对Offner 型成像光谱仪结构特点,总结了其前置望远系统的选型及设计原则;介绍了一种大视场、长焦距、像方远心离轴三反光学系统的设计方法;利用该方法优化设计了一款焦距800 mm,视场达8.60.148,工作波段0.9~5 m 的星载Offner 型成像光谱仪的前置望远光学系统。对其性能分析表明,在Nyquist 频率16.7 lp/mm 处,各谱段的调制传递函数值均在0.65 以上,接近衍射极限,完全满足成像质量要求。同时证明了该设计方法可行,所设计系统结构紧凑,较易加工,适于空间遥感用Offner 型成像光谱仪。     

短波红外成像光谱仪性能检测与定标装置

描述了短波红外成像光谱仪研制中所涉及的系统总体性能检测与定标装置。短波红外成像光谱仪是一台基于棱镜-光栅-棱镜(PGP)组合分光的、推帚式成像的航空成像光谱仪,其探测波段为1000～2500nm,视场角为24°。短波红外成像光谱仪的系统总体性能检测贯穿于仪器研制的全过程中,包括对仪器关键器件的测试,仪器的空间分辨率、视场角及内方位元素等总体指标的测试;短波红外成像光谱仪的定标包括实验室及外场的光谱及辐射定标,它们是仪器研制成功及深入应用的重要保证。最后,介绍了仪器在实验室成像及航空实验成像状况。     

不同光栅常数下同心长波红外成像光谱仪对比

为对比分析不同光栅常数下Offner光栅和Dyson光栅光谱仪的性能差异,推导了两种光谱仪结构的衍射角公式,获得其衍射特点,并在F数为2.5,工作波段为8～12 m,光谱分辨率15.6 nm,光栅常数分别为100 m、50 m下,借助ZEMAX软件对这两种结构进行了优化设计。结果表明:较大光栅常数下,两者都能理想成像,Offner光谱仪体积约为Dyson的7倍,质量约为Dyson的1/13;较小光栅常数下,Dyson光谱仪仍可理想成像,而Offner必须加入二次非球面镜并进行离轴,才能满足系统对像质及光谱分辨率的要求,此时,Offner光谱仪体积约为Dyson的7倍,重量约为Dyson的1/11。设计结果表明,两种同心结构在加工难易度、体积、重量方面各有优劣,在光谱仪选型工作中,可根据具体情况进行取舍。     

凸面光栅同心结构成像光谱仪的研究进展

介绍了基于同心结构的凸面光栅成像光谱仪的研究背景、设计方案和结构特点,综述了凸面光栅同心结构成像光谱仪在国内外目前主要的五种结构类型,包括Offner型、非共面型、折反射型、+1级衍射型、自由曲面型.总结了五种结构类型的优点和缺点,对研发新一代具有高成像质量、高分辨率、高衍射效率、大相对孔径、长狭缝、宽波长范围的轻小型...     

精准农业观测高数值孔径短波红外成像光谱仪光学系统

研究了一种在1.0~2.5 m短波红外波段上可用于机载精准农业观测的成像光谱仪光学系统。研究分析了用于精准农业探测所需的成像光谱仪科学性能参数,着重改进了Dyson成像光谱仪系统并获得了完善的消像散条件,使得其各组成部分在沿光轴方向和垂直光轴方向均具备足够的空间,确保了狭缝、探测器和光学镜片的光机结构放置。设计成像光谱仪具备良好光学性能,光学系统F数为1.5,视场28,狭缝长度25 mm,光谱分辨率12.7 nm,空间分辨率1 mrad,系统像差得到充分校正,公差比较宽松。该系统的研究将为精准农业遥感应用提供一种思路。     

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。     

运动补偿下短波红外成像光谱仪的信噪比特性

为研究运动补偿下成像光谱仪的信噪比特性,首先推导出探测器像元采集到的光谱辐射信号与瞬时视场光轴摆角的关系式.据此,在短波红外(1.0～2.5μm)光谱范围内,计算不同摆角下系统采集到的光谱辐射信号及系统信噪比相对于观测星下点(对应光轴摆角为0°)的变化情况.结果表明:与观测星下点相比,运动补偿过程中系统采集到的总光谱辐射能量随光轴摆角的增大而减小,并且其中地面目标辐射所占的比例也随之减小.信噪比有类似的特性.要使整个观测过程信噪比提高的倍率保持或接近预期的补偿倍率,光轴摆角尽量小于30°.     

短波红外Hadmard变换高光谱成像技术研究

Hadmard变换成像光谱技术基于Hadmard变换光学基本原理,采用线阵探测器件实现高光谱成像,多通道探测优势使其在一定条件下可以获得与推帚式高光谱成像相当水平的探测信噪比.本文在阐述Hadmard变换成像光谱技术基本原理的基础上,通过类比光机扫描成像和推帚式成像,论证了Hadmard变换成像光谱技术的探测信噪比优势,设计了一套基于线阵短波红外器件、DMD芯片和双Offner光栅光谱仪系统的高光谱成像光谱仪,并简要论证了其工程可行性.     

空间遥感短波红外成像光谱仪的光学系统设计

设计了一种短波红外成像光谱仪的光学系统.它采用离轴透镜来校正大视场像差,避免了采用大口径同心透镜,降低了大口径透镜获取难度和加工要求,同时校正了狭缝弯曲和畸变;采用两个离轴非球面反射镜作为准直和会聚光学元件,补偿了与波长相关的狭缝弯曲,并减小了残余像差;采用一个色散棱镜来修正非线性色散,满足了光谱分辨率要求,在棱镜背面镀反射膜,简化了结构,减轻了重量.最后给出了各个通道的光谱非线性和光谱弯曲结果.     

红外超光谱成像傅里叶变换光谱仪与色散光谱仪的性能比较

本文对用于红外超光谱成像的扫描型色散光谱仪和凝视型傅里叶变换光谱仪的以信噪比为基础的性能进行了比较。由这两种光谱仪的焦平面收集的信息有很大的差异。在扫描型色散光谱仪中,二维焦平面列阵在一个方向上收集空间信息,在另一个方向上收集光谱信息,而第二个空间维度则由扫描机械及时扫出。傅里叶变换光谱仪的二维焦平面列阵在收集二维空间信息的同时收集光谱(干涉图)信息。对于这两种仪器来说,信号的形成以及从焦平面数据收集到最后超光谱数据立方体的噪声传播都迥然不同,因此使用的信号和噪声模型也有很大的差异。本文把噪声等效光谱辐射率(NESR)作为一个品质因数,对使用同一种光学系统、具有相同的空间分辨率、相同的图像面积、相同的光谱分辨率、相同的光谱范围和相同的成像时间的两种仪器的性能进行了比较。在光子噪声限条件(通过适当设计新式的红外焦平面列阵,这种条件已能达到)下,与非成像傅里叶变换光谱仪有关的传统多路传输和吞吐量优势化为乌有,本文将对其原因进行分析。本文讨论两种仪器的二维焦平面列阵的特性,例如帧速率和动态范围等,并说明两者之间的差异为何如此之大。最后,本文总结了这两种仪器的信号处理要求。     

成像光谱仪复合色散棱镜支撑设计与试验

复合色散棱镜是高分辨力星载成像光谱仪的关键分光元件,其光机支撑是成像光谱仪工程研制阶段必须解决的重要问题。首先介绍了复合色散棱镜的工作原理,在此基础上给出了复合色散棱镜光机支撑的技术指标要求;接着综合考虑了热匹配、密度、弹性模量、可加工性等因素后选择了棱镜支撑结构材料;然后运用温度补偿法解决了复合色散棱镜中一块棱镜与支撑结构材料线膨胀系数不匹配的问题,采用半运动学安装方法对两块棱镜进行支撑;最后给出了复合色散棱镜组件力学和热学分析结果并进行了相应试验。试验结果表明:复合色散棱镜组件一阶基频达301.5 Hz,在20℃5℃温度范围内组合光程差优于0.021 （=632.8 nm）,能够满足成像光谱仪工程研制需要。     

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。     

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。     

做在芯片上的成像光谱仪

美国喷气推进实验室的研究人员最近提出一种做在芯片上的可见光成像光谱仪,这种可见光成像光谱仪基于一种异质结构的概念,它包括多层硅基光电探测器和多层长波通光学滤光片,其中,硅基光电探测器和长波通光学滤光片是交替地叠在一起的。     

一种改善成像光谱仪光谱检测能力的新方法

为了改善成像光谱仪的检测能力,在不改变硬件结构的情况下,采用光谱细化最优化的新方法,利用液晶可调谐滤光片式成像光谱仪,取得了入射光近似光谱数据,进行了理论分析和实验验证。结果表明,在3组数值仿真数据中,相较于成像光谱仪测量光谱,该方法得到的近似光谱与入射光真实光谱的光谱强度差的标准差分别减小了79.3%,68.3%和58.8%;在两组实验数据中,标准差分别减小了84.4%和60.7%;求解得到的近似光谱与入射光真实光谱的近似程度得到了显著提高,较好地分离了相隔较近的光谱峰。这一研究改善了成像光谱仪的光谱检测能力。     

成像光谱仪光谱分辨率的分析

讨论了影响成像光谱仪光谱分辨率的因素;光谱定标系统引起光谱响应函数的误差;以及成像光谱仪的实际光谱分辨率;并提出几种提高光谱分辨率的方法。     

离轴三反成像光谱仪光学系统设计

高质量的成像光谱仪光学系统必须具备大线视场、大相对口径、宽光谱成像、体积小、重量轻等优点,因此离轴全反射系统成为该领域的一个研究方向。介绍了一种基于赛德尔像差理论的大线视场、大相对口径离轴三反光学系统的设计方法。该方法通过对初级像差方程组进行约束优化,求得满足要求的初始结构参数,并在优化的过程中,不断地调整系统中各个镜子的偏心和倾斜,在保证成像质量地前提下,消除系统的遮拦。最后的设计结果表明了这种方法的有效性和可行性。     

M型Czerny-Turner光谱仪结构优化设计与分析

针对M型Czerny-Turner光谱仪在像差校正时可能会出现的二次衍射问题,提出了此光学结构在消慧差条件下的反二次衍射条件。分析了二次衍射出现的主要因素,并进行了理论推导。结合反二次衍射条件与消慧差优化的约束条件,搭建了M型消慧差Czerny-Turner结构光谱仪。为了验证理论分析的正确性,使用Zemax OpticStudio仿真软件进行了对比实验。仿真结果表明：满足约束条件的M型光路结构中不会出现二次衍射现象,而不满足约束条件的M型光路结构中则会出现二次衍射现象,与理论分析结果相符。在入射狭缝宽度为25μm、光栅刻线密度为600 line/mm的条件下,软件优化后的光学系统在200～500 nm范围内的光谱分辨率优于1 nm。