Offner凸面光栅超光谱成像仪的设计与研制

传统的平面或凹面光栅分光的光谱成像仪受像差校正的限制,数值孔径较小,能量利用率低,难以实现高的光谱和空间分辨率.用一块凸面光栅代替全反射式Offner中继系统中的凸面反射镜.构成的Offner凸面光栅超光谱成像仪具有固有像差小的优点.凸面光栅的制作采用全息记录的方法.通过优化设计全息记录参数和光栅槽形,可获得高的衍射效率.优化设计并研制得到的凸面光栅超光谱成像仪结构紧凑、像差校正能力强、数值孔径大、集光本领高,可同时获得高的光谱和空间分辨率.     

高衍射效率凸面闪耀光栅的研制

基于严格耦合波分析,研究凸面闪耀光栅的衍射特性;采用全息光刻-离子束刻蚀法制作中心周期为2.45μm、曲率半径为51.64 mm、口径为17 mm的凸面闪耀光栅,闪耀角为6.4°,顶角为141°。结果表明,在整个可见-近红外波段,所制作光栅的1级衍射效率大于40%,在闪耀波长处1级衍射效率大于75%。     

凸面光栅的衍射效率计算及其二级光谱抑制

对超光谱成像仪使用的凸面光栅衍射效率进行了分析计算.针对常用的两种槽型的凸面光栅,运用傅立叶变换分别推导了相应的衍射效率计算公式,并使用推导的公式计算了凸面光栅的衍射效率.通过计算光栅的二级衍射光谱,对二级光谱对光谱仪分光的干扰进行分析,并提出了相应的抑制措施.     

宽波段凸面闪耀光栅优化设计

凸面闪耀光栅是研制高光谱分辨率成像光谱仪的关键元件之一,一般凸面闪耀光栅的有效波段范围较窄,较难满足宽波段成像光谱仪对光栅衍射效率的需求。为拓宽仪器观测波段,对其中凸面闪耀光栅进行了优化设计。以0.4~2.5 m波段Offner型成像光谱仪为例,研究了凸面光栅单衍射级和双衍射级共路两种色散结构,采用分区闪耀光栅和双角闪耀光栅来提高宽波段范围内的衍射效率。优化设计了两种双闪耀光栅在不同色散结构下的槽形,用标量理论和有限元分析等方法对光栅衍射效率进行了计算。结合仪器信噪比,给出了满足成像光谱仪不同需求时所适用的光栅。     

光谱巡天科学级紫外光栅的研制

不同于国际上其他空间项目采用光栅切换的光谱获取方式,中国空间巡天望远镜采用近焦面拼接光栅的方式获取大视场、宽波段无缝光谱,波长覆盖范围为250～1000nm,光谱分辨率R≥200。国内紫外透射衍射光栅的天文应用尚在起步阶段,制作难度高,且不能从国外获得。经过多年努力,光栅性能在近期获得了较大提升。本文针对紫外光栅的科学应用性能和使用条件,分析了衍射光栅制作参数的优化,给出了衍射效率随入射角、入射光偏振态以及光栅槽形结构参数的变化规律。相关数据对在轨流量定标具有借鉴价值。通过选用不同的光栅结构参数对衍射效率特性进行分析,发现了紫外光栅峰值波长与顶角投影在每个周期上的比值之间的近似线性表达关系。本文讨论了满足科学需求的参数许可域,并将其用于控制光栅制作参数。多次试验后,光栅槽形结构参数和形状得到了精确控制,获得了性能优异的衍射光栅。制作的光栅线密度为333line/mm,闪耀角为12.51°,峰值效率波长控制在315nm,紫外波段实测峰值衍射效率为72.3%,平均效率为65.1%。该光栅的槽形、波前质量等均控制在较高水平,衍射波前质量均方根(RMS)达到0.06λ,峰谷值(PV值)达到了0...     

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...     

凸面光栅的设计与制作研究进展

凸面光栅是Offner结构成像光谱仪的核心分光元件,制备出高衍射效率、高分辨率的凸面光栅是提高光谱仪成像质量,实现遥感探测的关键.介绍了目前凸面光栅的研究现状,讨论了设计与制作凸面闪耀光栅的主要方法.凸面光栅的设计方法采用严格耦合波理论对光栅进行衍射效率分析,制作方法主要包括:电子束直写法、X射线光刻法、机械刻划法以及...     

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。     

红外激光器选频闪耀光栅的研制

建立了实际刻划光栅的物理模型,给出了相应的衍射效率表达式,分析了零级面对闪耀光栅衍射效率的影响.在工艺过程中,通过有效控制零级面成功研制了10.6μm激光器一级输出和 9.77μm激光器零级输出选频振荡闪耀光栅.     

低密度台阶形闪耀光栅的制作

介绍了制作低密度闪耀光栅的过程,在制作时,对传统的制作过程进行了改进,有效提高了制作质量。以40μm闪耀光栅为例介绍了制作的过程,得到了良好的光栅表面形貌,并且闪耀级次的衍射效率达到了70%以上。相比传统的制作方法,效率提高了5%～10%。对比了理论上的衍射效率,分析了实验误差,发现把存在对准误差的光栅进行处理将会有效地提高其衍射效率,为进一步提高闪耀光栅的衍射效率提供了依据。     

多帧图像编码孔径光谱成像技术

在双色散结构编码孔径光谱成像系统(DD-CASSI)的基础上,提出了利用多帧采样图方法(Multi Frame-DD-CASSI),以提高信息采样率,并提出新的数学模型,实现了对三维数据立方体的光谱维压缩编码,充分利用了光谱维数据的相关性,利用32帧采样图恢复数据,达到了0.99的光谱曲线相似度和40 db的图像峰值信噪比.     

基于FISTA 算法的编码孔径光谱图像压缩与复原系统

在研究现有光谱图像压缩与复原的基础上,提出了一种新型的光谱压缩与复原方法,即基于编码孔径的光谱压缩复原系统;在光谱仪的光学系统中加入由数字微镜阵列（DMD）实现的编码模板,该编码模板为一个随机矩阵,可对目标的图谱数据立方体实现瞬时编码,目标的反射光经过该编码模板后三维图谱数据立方体被压缩成一个隐含有光谱信息的二维矩阵。在解码算法方面,首次提出了利用快速迭代收缩阈值算法（FISTA）实现从少量观测值中重构三维图谱数据立方体。该算法在每次迭代中估计一次梯度的同时还计算了一个额外的点。实验结果表明,该算法无论是在收敛速度,还是在复原重构效果上均有明显提高。     

消偏振二维二元闪耀光栅设计

为减小成像光谱仪的偏振敏感度并提高其定量化探测精度,提出一种透射式消偏振二维二元闪耀光栅。它在两个正交方向上都具有周期性槽形单元,每个槽形单元包含7个子周期。每个子周期的介质占空比在两个方向上是独立的,可同时调制TE和TM偏振态的等效折射率,以此优化光栅偏振特性。本文将等效介质理论拓展到二维情况,设计了以熔石英为基底,工作波段为0.6~0.8μm的高衍射效率消偏振二维二元闪耀光栅。光栅两正交方向周期分别为3.31μm和0.473μm。仿真结果表明,在参考波长0.7μm处TE和TM偏振态衍射效率分别为79.5%和79.6%,0.6~0.8μm波段范围内TE和TM偏振态衍射效率均高于70%,偏振敏感度低于2.6%。与一维二元闪耀光栅相比,二维二元闪耀光栅具有高衍射效率、低偏振敏感度和易制作的优势。所得结论可用于指导实际应用中透射式二元闪耀光栅的设计,可望在光栅型高光谱成像仪中得到应用。     

用平凸透镜制作大口径光栅的像差分析

分析使用两个对称的单平凸透镜光路制作光栅并用MATLAB编写光线追迹程序分析了所制作的光栅的衍射波像差的特点,经计算得出在较小焦比D/F情况下其衍射波像差仅与两支光路点光源的调节偏差之差有关与单独的各个偏差无关;初级像差中球差很小几乎可忽略:彗差仅与垂轴调节偏差之差成线性关系;像散仅与轴向调节偏差之差成正比;且当平凸透镜的焦比D/F增大时,各像差项迅速增大.点光源调节偏差一致时的衍射波像差随着系统的焦比D/F增大而迅速增大,并分析了当透镜的焦比D/F一定时,透镜的焦距与所制作的光栅的空间频率对衍射波像差的影响.     

双谱段Offner光谱成像仪设计

相比基于平面或凹面光栅的光谱成像仪,采用凸面光栅作为分光元件的Offner光谱成像仪具有数值孔径大、无谱线弯曲、色畸变小、结构紧凑和加工装调简单等诸多优点,在各个领域获得越来越多的应用。为了满足深空探测任务对载荷高度集成化、宽光谱响应范围、轻小型化等多方面严格要求,采用Offner结构设计了一种双谱段光谱成像仪,并巧妙地利用光栅分区分光,使系统在宽谱段内具有优良的像质,且体积小、结构简单,满足了设计要求。光学系统所有反射曲面均为球面,公差较松,有利于加工和装调。对凸面光栅进行了设计,并分析了其衍射效率,该设计可以有效扩大整个系统的动态范围。     

闪耀光栅对厄米-高斯光束的衍射

本文解析了闪耀光栅对厄米—高斯光束的方和费衍射分布,发现光栅对厄米—高斯先束衍射的分辨本领并不取决于光栅处的光斑尺寸,而是由光束本身的参量——光腰截面半径决定的。     

变栅距闪耀光栅相对衍射效率的计算方法

提出了一种变栅距闪耀光栅相对衍射效率计算方法,它是基于变栅距闪耀光栅衍射强度分布公式得出的。该方法简洁、有效,虽然有一定的近似性,但在工程设计上仍有较强的指导性。此外,还得出变栅距闪耀光栅参数对其衍射效率的影响规律,对优化制作工艺提供了理论依据。     

非对称全息方法制作闪耀光栅的模拟与分析

为了实现全息方法制作闪耀光栅,在对称全息光栅制作方法的墓础上,设计了一种非对称光路进行曝光。模拟了特定显影条件下光栅槽形及其衍射效率光谱。并与理想三角形闪耀光栅比较。结果表明：模拟槽形具备闪耀光栅槽形特征,其正一级衍射效率谱线与相应闪耀光栅非常接近。