偏轴式扫描三光栅单色仪

为了获得宽波段高分辨率的单色光,对成像光谱仪进行了波长标定,设计了一款扫描式三光栅单色仪。光栅扫描系统采用蜗轮蜗杆机构,针对传统安装方式带来的光栅有效口径损失及杂散光等问题,创造性地提出了蜗轮蜗杆转台偏轴安装的方法,通过蜗轮蜗杆转台初始位置的偏移,有效抑制了扫描过程中光栅实际有效口径的减小和仪器杂散光增加等问题。单色仪光学系统采用水平式C-T结构,通过三块光栅实现280~2 240 nm的宽波段输出,保证整个波段内的高衍射效率和光谱分辨率;并针对蜗轮蜗杆的非线性扫描,使用多种数学模型对单色仪系统进行了光谱定标。最终的实验和测量证明,仪器在280~560 nm、560~1120 nm、1 120~2 240 nm三个波段的光谱分辨率分别为0.1、0.2、0.4 nm,波长重复性分别为0.094、0.186、0.372 nm,波长准确度分别为0.096、0.191、0.382 nm,达到了设计目标,满足成像光谱仪波长定标的使用要求。     

海洋光学推出高透光率、低杂散光全息凹面光栅光谱仪——Torus系列

海洋光学(Ocean Optics-www.oceanopticschina.cn)推出像差校正全息凹面衍射光栅光谱仪——Torus系列。该光谱仪具有透光率高、杂散光更低、热稳定性好的特点,可用于液体、固体等的吸收、荧光测量。Torus可见波段光谱仪(360～825nm),杂散光水平:在400nm约0.015%,较     

中红外平面光栅光谱仪系统杂散光分析

为了抑制杂散光对中红外平面光栅光谱仪系统成像质量的影响,首先探讨了系统杂散光的来源,设计了遮光罩、挡光环和里奥光阑;然后针对用挡光板消除光栅衍射杂散光能力有限的问题,提出利用百叶挡光板和杂散光收集器组合来抑制杂散光的影响,并结合三维建模软件Solidworks和杂散光分析软件Tracrpro对系统进行了建模、分析和对比;最后针对某一型号红外热电堆阵列探测器并运用黑体辐射理论对其进行计算和分析,最终结果表明:光谱仪系统地气杂光抑制水平PST可以达到10-11,内部杂散辐射抑制能力有效发射率为1.3%,满足中红外平面光栅光谱仪系统杂散辐射的抑制要求.     

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。     

海洋光学推出高透光率、低杂散光全息凹面光鼢光谱仪——Torus系列

海洋光学OceanOptics—www．oeeanopticsehina．cn）推出像差校正全息凹面衍射光栅光谱仪——Toms系列。该光谱仪具有透光率高、杂散光更低、热稳定性好的特点,可用于液体、同体等的吸收、荧光测量。Torus可见波段光谱仪（360～825rim）,杂散光水平：在400r／m约0．015％,较平面光栅等微型光纤光谱仪更低。     

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。     

空间外差光谱仪成像光学系统设计

为满足高光谱傅里叶变换光谱仪对高光谱分辨率、小畸变、像面光谱辐照度均匀、高信噪比以及仪器轻量化小型化的要求,设计了空间外差光谱仪成像光学系统。基于傅里叶变换的空间外差光谱仪空间干涉的特点和对成像系统缩放比、畸变等要求,依据干涉图调制度分析了最恶劣面形改变条件下对干涉仪元件面形误差的要求,并采用前后镜组匹配实现了双远心成像系统的设计。设计结果表明:该光学结构可避免调焦产生的成像系统缩放比改变,有效视场内畸变量约0.1%,传递函数在38.5 lp/mm处物面所有点全视场范围逸0.60。依据仪器视场角对滤光片安装位置和精度提出要求,并对成像系统进行杂散光和照度均匀性分析提出有效抑制杂散光的措施和方法。系统设计满足了空间外差光谱仪对成像的要求,实现了照度均匀、低畸变、离焦情况下缩放比保持不变等。     

高分辨率近红外成像光谱仪光学系统

研究了一种在近红外波段具备良好成像能力的双凹面光栅成像光谱仪系统。对这种串联光栅系统中存在的主要像差像散和彗差进行了分析,并计算获得了该系统的最优成像条件:两个光栅和柱面透镜的最优摆放位置。这种改进型的Wadsworth系统可以在全波段近似消除彗差和像散,具备良好的光学成像质量,并仅通过刻线密度较低的光栅即可实现高光谱分辨率。设计了一个工作于780~1 100 nm波段的成像光谱仪系统,其光谱采样达到0.92 nm/pixel,全视场调制传递函数在17 lp/mm的奈奎斯特频率下高于0.45,系统像差得到充分校正,且加工和装调公差比较宽松。研究结果分析证明了设计理论的正确性。     

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.     

宽波段光谱成像系统杂散光分析及抑制

宽波段光谱成像系统(0.4～1.7μm)在食品检测、农业生产、医学分析、刑事侦查等领域有广泛需求，光栅因其具有高色散本领和高环境稳定性的特点，成为宽波段光谱成像系统主流分光元件，但采用光栅分光的光谱成像系统存在多级次衍射光谱互相串扰问题，严重影响仪器的探测能力，为了得到准确的光谱信息，需对其进行有效的抑制。文中利用Tracepro光学分析软件对宽波段光谱成像系统的多级次衍射杂散光进行仿真分析，发展了利用分区域滤光片和线性渐变带通滤光片来抑制多级衍射杂散光的方法，并分析比较了它们对多级衍射杂散光的抑制效果。仿真分析结果表明：线性渐变带通滤光片能够有效地抑制多级次衍射带来的杂散光，光谱成像系统杂散光系数降低至10-4量级，满足宽波段光谱成像系统对杂散光抑制要求。     

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。     

一种针对使用背照减薄型CCD器件色散型成像光谱仪的星上光谱定标方法

使用背照减薄型CCD器件的色散型成像光谱仪在近红外波段会出现呈条带状干涉条纹现象,该干涉条纹对入射光波长分布敏感,空间频率稳定,特别适用于微小光谱偏差的测量与校准.针对一台光栅色散型推扫式成像光谱仪样机,先估计出条纹分布的规律,再以此为基础,采用频域滤波、最小二乘拟合等方法提取干涉条纹中包含的相位信息,以此作为光谱定标的辅助参数.实验表明,当入射光强变化达到130％以上时,拟合谱线位置的不确定度最大为0.007 3 nm,模拟光谱位置改变后,以汞灯谱线作为基准光谱位置曲线,测得拟合算法的最大误差为0.135 8 nm,该结果证明,干涉条纹拟合定标方法可有效减少定标系统对光源稳定性的依赖,提高对光谱维微小偏移量的检测精度.     

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。     

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。     

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。