星载红外双谱段高光谱成像仪光学系统设计

针对国内外星载红外高光谱成像数据空白和迫切应用需求,本文提出了星载红外双谱段高光谱成像技术方案,实现高空间分辨率、高光谱分辨率和高温度灵敏度成像。工作谱段覆盖中波红外(3～5μm)和长波红外(8～125μm),中波和长波红外谱段的光谱分辨率分别为50nm和100nm,空间分辨率为60m,成像幅宽为60km,噪声等效温差优于02 K。分析确定了红外高光谱成像仪的光学系统技术指标,设计了望远光学系统、光谱成像光学系统和高光谱成像仪整体光学系统。望远光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案,实现了大相对孔径像方远心和低畸变设计,相对畸变小于0135;光谱成像光学系统采用Wynne Offner结构形式,实现了高成像质量、轻小型化设计,不同波长的传函均接近衍射极限。设计结果表明,星载红外双谱段高光谱成像仪的光学系统成像质量优良,结构布局紧凑合理,具有较强的工程应用价值。     

新型制冷Dyson光谱仪设计

为了解决传统Dyson制冷型光谱成像技术由于紧凑结构带来的空间部件重叠、谱线弯曲、色畸变等问题,本文创新性地提出基于传统Dyson光谱仪物面-像面分离设计的思想。根据新型Dyson像差原理,推导了新型Dyson离轴像差理论,依据理论对传统Dyson光谱仪进行改进和优化,设计了一款相对孔径为1/2,口径为50 mm,波段为8~12μm的新型Dyson光谱仪。利用二次成像原理图,完成系统二次成像组结构参数的相关计算,通过像差优化,使系统实现100%冷光阑匹配。设计结果表明:系统的谱线弯曲小于20μm,色畸变小于35μm,光谱分辨率优于80 nm,系统奈奎斯特频率在17 lp/mm处接近衍射极限。     

星载大相对孔径宽视场成像光谱仪光学系统设计

高分辨率大相对孔径宽视场成像光谱仪已成为星载海洋水色遥感等领域的迫切需求,根据大相对孔径和宽视场的研究目标,采用折叠Schmidt望远成像系统与改进型Dyson光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个相对孔径1/1.2、视场3.9°,工作波段0.35~1.05μm的航天遥感成像光谱仪光学系统。基于像差理论,分析了改进型Dyson光谱成像系统球差校正原理。运用光学设计软件ZEMAX对成像光谱仪光学系统进行了光线追迹和优化,并对设计结果进行了分析。分析结果表明,光学系统在各个波长的光学传递函数均达到0.77以上,谱线弯曲和谱带弯曲均小于6%像元,便于光谱和辐射定标,完全满足设计指标要求,且结构紧凑,非常适合应用于航天遥感。     

双狭缝高分辨率紫外成像光谱仪光学系统设计

在机载和星载领域,尤其是用于观测科学目标短期变化的应用领域,遥感平台逐步要求光谱仪在实现高分辨率的同时缩短重访时间。研究了基于Offner结构的紫外成像光谱系统,设计了一种工作波段为250~500nm、双狭缝均长50mm、双入射狭缝间隔为37mm、光谱分辨率为0.3nm的双缝高分辨率紫外成像光谱仪,并对设计结果进行了分析与评价。结果表明,这种紫外双缝成像光谱仪在41.67lp·mm-1处的传递函数达到0.76以上,实现接近衍射极限的优良成像质量,同时大大缩短了系统重访时间,提高了系统的信噪比,在保证高分辨率的同时缩小了系统体积和扫描镜口径,适合机载和星载遥感应用。     

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。     

消谱线弯曲PGP型成像光谱仪系统设计

针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪谱线弯曲(Smile)难校正的问题,提出了一种利用狭缝离轴和减小第一块棱镜顶角,再结合会聚镜畸变校正PGP型光谱仪谱线弯曲的方法。该方法在保留了PGP型光谱仪的布拉格(Bragg)衍射和系统共轴等优点的基础上,校正了光谱仪的谱线弯曲和色畸变(Keystone)。在相同的技术指标下,对传统型和改进型PGP模型做了谱线弯曲对比。为了验证该方法的可行性,设计了一款光谱分辨率为2.8 nm的光谱仪,点列图均方根(RMS)半径小于8 μm,满足成像质量要求,Smile为1.50 μm、Keystone为3.52 μm,均小于0.2倍像素。设计结果表明,通过减小棱镜顶角校正中心波长的Smile,利用狭缝离轴实现光谱仪系统共轴,利用会聚镜畸变校正剩余波长的Smile可以有效校正PGP型光谱仪的谱线弯曲。     

宽谱段成像光谱仪前置物镜的设计

为满足高光谱成像光谱仪的要求,研究了可见光-短波红外宽谱段的消色差像方远心前置物镜的设计问题。针对0.5～2.5μm谱段、焦距750 mm、F/#为5和视场角±0.8°的设计要求,进行了设计方案分析,提出了R-C折反式光学系统的设计方法;透镜校正组的设计中分析了可见光、短波红外波段的材料特性,并选择了适合该系统的材料F_Silica。最终设计的系统结构简单,很好地校正了色差以及单色像差,还实现了像方远心光路。设计结果满足光谱仪的要求,在整个谱段和全视场范围内,系统成像质量接近衍射极限。     

双波段/双视场红外光学系统设计

研究了双波段/双视场红外光学系统的设计,设计了双波段/双视场红外光学系统,引入衍射光学实现双波段成像,采用移动单个透镜实现视场切换.结果表明,该系统可以实现焦距为37mm/100mm,工作波段为3.7～4.3μm/8 12μm的双波段/双视场光学系统,F数为1.2,在空间频率201p/mm处的光学传递函数值＞0.5.应用结果表明,该系统结构简单,像质好.     

新型宽带匹配网络在双路宽光谱AOTF成像技术中的应用

基于双路AOTF的宽光谱成像技术在偏振成像光谱仪中得到应用,其成像质量受AOTF衍射效率、光谱带宽等影响。其核心部件超声换能器阻抗失配时导致驱动功率无法最大限度的传递给换能器,使AOTF光谱衍射效率降低,3dB光谱带宽变窄,影响光谱图像有用信息的获取。采用压缩回波损耗技术,设计了一种基于LC拓扑结构及组合臂的宽频带、光谱衍射效率高的新型匹配网络。最终测得AOTF的光谱衍射效率最高达94％,光谱带宽小于5nm,提高了在420~1150nm波段范围内的光谱衍射效率及分辨率,实测目标的成像质量得到明显改善。     

轻小型宽谱段紫外高光谱成像仪光学系统设计

覆盖"日盲"紫外到近紫外波段的光学材料少,增加了小F数、大视场宽谱段紫外高光谱成像仪设计的难点。本文仅采用熔融石英和氟化镁两种材料,设计了一套宽谱段紫外高光谱成像仪,光谱范围为250~400 nm,焦距15 mm,F数3.2,视场31?。系统实现了模块化设计,前置成像镜头和后接光谱仪可独立成像。为保证对接后高光谱成像仪具有较好的像质,紫外镜头采用像方远心设计;光谱仪采用Offner结构,且反射镜实现了一体化设计,由两个元件组成,可实现同轴安装,极大降低了装调难度。对接后紫外高光谱成像仪像质较好,系统结构紧凑,外形尺寸仅有128 mm×60 mm×60mm,实现了系统轻小型化设计。     

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。     

棱镜色散成像光谱仪光谱辐射采集特性

棱镜色散成像光谱仪对景物光谱的采样不是等间隔的.为了研究非线性色散对成像光谱仪采集景物辐射能量的影响,首先推导出相应的计算表达式,据此,在可见近红外光谱范围内(VNIR)分析了以单棱镜或复合棱镜为色散元件时成像光谱仪辐射能量采集特性.结果表明:与等间隔光谱采样相比,对于采用单棱镜作为色散元件的成像光谱仪而言,探测器像元采集到的景物辐射能量在光谱范围的短波(0.4～0.6 μm)部分较低,在中长波(0.6～1.0μm)部分较高;对于采用复合棱镜作为色散元件的成像光谱仪而言,探测器像元采集到的景物辐射能量在整个光谱范围都比较均衡;随着光谱采样通道数的增加,大气的弱吸收特征越来越明显地表现出来.     

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。     

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。     

折/衍射双波段共光路齐焦光学系统设计

为了提高双波段光学系统成像性能,结合可见光和中波红外的特点,设计了无光路补偿的折/衍射双波段共光路齐焦光学系统。对系统的4片透镜波段间消色差以及焦距补偿表达式进行了推导,采用4片透镜并引入二元衍射面,通过合理匹配光学系统光焦度,实现了系统共用一组光路,在可见光和中波红外两个波段的焦距一致,提高了双波段观测目标信息的一致性。设计的双波段共口径/共光路成像光学系统的工作波长为0.38~0.76 m,3~5 m,系统的焦距为90 mm,视场角为0.5,F数为3,在-40~+60℃的温度范围内采用光学被动式进行消热差设计。设计结果表明:系统结构简单,体积小,成像质量接近衍射极限。     

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。     

制冷型中/长波红外双波段一体化全反射式光学系统设计

为避免透射式系统存在的色差问题,采用离轴反射式光学系统,在三镜后加分色片,分别成像到中波探测器及长波探测器的焦面上,实现对中波红外和长波红外两个谱段信息的同时成像。该一体化系统由3个离轴反射镜和一个分色片构成,为校正系统像差,三镜采用XY多项式曲面。采用二次成像结构形式,具有100%冷光阑效率。系统F数为2.67,视场角11.4°×1.8°,工作波段为中波3.55~3.93 μm,长波10.3~12.5 μm。中波红外系统MTF平均值大于0.5@25 lp/mm,长波红外系统MTF平均值大于0.4@12.5 lp/mm,采用光学被动式消热差法对光学系统进行温度补偿,温度适应范围为-40℃~+60℃。     

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。     

宽波段DMD动态红外景象仿真器投影光学系统设计

宽波段红外景象仿真器可用于内场评价和验证中波/长波红外双波段成像仪。详细介绍了基于数字微镜器件(DMD)的动态红外景象仿真器的组成和工作原理。重点介绍了覆盖中波和长波红外的宽波段红外投影光学系统的指标要求、设计思想和设计结果。基于离轴三反射镜系统设计的系统,具有无色差、适用波段宽、相对孔径大、结构较紧凑、成像质量好等优点。根据待测设备要求,设计了一款口径100、相对孔径F/2.84、全面视场角4.4°、成像质量接近于衍射极限的宽波段投影光学系统。     

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。