基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪

为了满足高分辨率大相对孔径宽波段高光谱成像仪的要求,提出并设计了一种基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪。基于几何像差理论,推导出了像散校正条件,利用Matlab软件编制了初始结构参数快速计算程序。作为实例,设计了一个相对孔径为1/2.5,波段为350~1 000 nm的平面光栅光谱仪光学系统。利用自己编制的Matlab程序计算了初始结构参数,然后利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱仪的光学系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析。结果表明,在整个工作波段（350~1 000 nm）内,点列图半径均方根值小于8.2 μm,实现了大相对孔径宽波段像散同时校正,在宽波段内同时获得了良好的成像质量,满足了设计指标要求。所提出的基于双Schwarzschild结构的平面光栅光谱仪在高光谱遥感领域很有应用前景。     

影响Czerny-Turner结构像散校正的因素

针对宽波段Czerny-Turner结构像散校正存在的问题,分析了影响光学系统像散校正的主要因素。基于发散光束照射平面光栅的像差理论,应用Matlab软件模拟分析了光学系统产生像散的原因和相应抑制方法的不足。讨论了了准直镜离轴角与聚焦镜离轴角的角度差值α和光学系统像散S之间关系,理论模拟了α取不同值时,宽波段C-T结构的全波段像散校正情况。为了验证理论分析的正确性,设计了光谱段为900~1 700nm的消像散型光学系统,利用光学设计软件Zemax对该波段的光学系统进行了光线追迹和设计优化,并对设计结果进行处理和分析。结果显示:随着角度差值的逐渐增大,短波波段像散校正能力越来越强,像散校正能力提高了1.6倍左右;长波波段像散束缚能力越来越弱,像散校正能力平均降低了1.27倍左右。得到的结果表明:角度差值的合理选取可以为宽波段Czerny-Turner结构的像散校正提供理论指导。     

大相对孔径宽波段Dyson光谱成像系统

提出了一种改进型Dyson光谱成像系统,以克服传统Dyson光谱成像系统焦平面探测器安置困难的缺点.首先,基于折射球面罗兰圆理论,提出了这种改进型Dyson光谱成像系统的光学设计方法.然后,利用MATLAB软件编制了初始结构参数快速计算程序.作为实例,设计了一个相对孔径为1/2,波段为200～1 000 nm的Dyson光谱成像系统.利用自己编制的MATLAB程序计算了初始结构参数,利用光学设计软件ZEMAX-EE对该光谱成像系统进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行分析.分析结果表明,在整个工作波段(200～1 000 nm)内,点列图半径均方根值小于4.2 μm,实现了大相对孔径宽波段像散同时校正,在宽波段内同时获得了良好的成像质量,满足设计指标要求.得到的结果验证了所提出的光学设计方法是可行的.     

消谱线弯曲长波红外成像光谱仪设计

为了实现遥感目标的长波红外高光谱成像,有效消除平面光栅产生的谱线弯曲,设计了离轴透镜消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱仪。分别计算了平面光栅和离轴透镜产生的谱线弯曲,分析了谱线弯曲随相关参量的变化关系,并基于此设计了消谱线弯曲的初始结构。通过优化设计得到的光学系统的通光孔径为100mm,F数为2,光谱分辨率为20nm,空间分辨率为150μrad,冷光阑效率为100%,成像质量接近衍射极限,系统谱线弯曲由原有的180μm以上变为14.3μm以内。该项设计获得了具有普适性的消谱线弯曲公式,证明了离轴透镜具备校正谱线弯曲的特殊功能。最后的设计结果表明,在满足系统成像质量要求且不增加系统复杂度的前提下,采用离轴透镜的平面光栅光谱仪的系统谱线弯曲小于探测器像元尺寸的1/2,满足使用要求。     

机载宽视场大相对孔径成像光谱仪

根据宽视场大相对孔径成像光谱仪的应用要求和技术指标,采用离轴Schwarzschild望远成像系统和双Schwarzschild光谱成像系统匹配的结构型式,设计了一个视场为28°、相对孔径为1/2.5、工作波段为0.4~1μm的机载成像光谱仪光学系统;根据双Schwarzschild光谱成像系统的像散校正条件计算了初始结构参数。然后,利用光学设计软件ZEMAX-EE进行了光线追迹和优化设计,并对设计结果进行了分析与评价。结果显示:光谱成像系统中心波长和边缘波长88%以上的能量集中在一个探测器像元内;谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元的5%,便于光谱和辐射定标;成像光谱仪全系统在各个波长的光学传递函数均达到0.59以上,完全满足设计指标要求。该成像系统体积小、重量轻,非常适合航空遥感应用。     

Offner双镜三反射成像光谱仪分辨率的研究

针对Offner双镜三反射成像光谱仪的消像差结构,采用几何方法推导出光谱分辨率的计算公式,分析了入射狭缝的宽度、凸面光栅分辨率、系统像差和探测器像元尺寸各个参数对光谱分辨率的影响,提出了分光系统像差的计算方法和优化设计方法,并探讨了提高光谱分辨率的方法和技术,即在优化系统像差的同时,适当减小狭缝宽度和探测器像元尺寸,有利于提高系统的光谱分辨率。该系统利用消像差优化设计同时考虑光谱分辨率的设计方法,具有十分重要的实用价值,为成像光谱仪的研制提供经验和借鉴。     

小型Offner光谱成像系统的设计

研究了在发散光束中使用色散元件的小型Ofiner光谱成像系统,分析了Ofiner凸光栅光谱成像系统和Ofiner曲面棱镜光谱成像系统的优缺点,与传统准直光束中使用光栅或棱镜的方法相比,Ofiner光谱成像系统具有体积小、质量轻、无谱线弯曲、色畸变小的特点。给出了两种系统的设计结果,并研究了滤除二级和高级次光谱的方法,给出了与Ofiner光谱成像系统匹配的不同形式的像方远心前置光学系统,可满足微小卫星超光谱成像仪的要求。     

大孔径面视场PG成像光谱仪的光学设计

针对成像光谱仪通过狭缝进行线视场成像时存在的孔径较小、光学透过率较低等问题,研究了一种基于棱镜-光栅型分光结构的大孔径面视场成像光谱仪。该棱镜-光栅成像光谱仪采用表面浮雕型透射光栅,极大地降低了光栅的制作难度与成本。大孔径面视场的成像光谱仪相较于线视场成像光谱仪有较高光学效率和时间效率。但是面视场成像光谱仪的色畸变与谱线弯曲较难校正。本文将前端望远系统与分光系统进行一体化设计,满足远心光路匹配和孔径匹配,较好地校正了面视场光谱成像系统中的谱线弯曲和色畸变。并且通过加入非球面反射镜及校正镜很好的校正了由于大孔径面视场所引入的非对称性离轴像差。结果表明,设计的大孔径面视场PG成像光谱仪光谱波段范围400~1 000nm,光学调制传递函数达到0.65以上,光谱分辨率达2.5nm,全谱段不同视场的谱线弯曲小于5μm,色畸变小于8μm。     

宽谱段空间外差干涉光谱仪

研究了基于中阶梯光栅多级衍射特性实现谱段展宽的宽谱段空间外差干涉光谱仪的基础理论和系统设计方法。阐述了宽谱段空间外差干涉光谱仪的特点,分析了仪器性能指标(光谱分辨率、光谱范围、视场、信噪比、衍射级次等)与初始光学和电子学参数(光栅、视场棱镜、成像系统、探测器等)之间的理论关系。然后,设计并搭建了宽谱段空间外差干涉光谱仪实验平台,该系统的理论光谱分辨率为0.173cm-1@16 950cm-1,光谱区为500~700nm。最后,给出了激光(543.5nm、632.8nm)、Na灯(589nm、589.6nm)、Hg灯(576.96nm、579.07nm)光源的宽谱段实验结果,其复原光谱的平均波数采样间隔为0.17cm-1;光谱复原过程中采用三角切趾函数,平均光谱分辨率为0.39cm-1。实验结果与理论设计符合良好,且复原谱各级次之间的对应关系与光栅方程确定的理论关系完全符合。     

采用多种群遗传算法的全景成像系统非球面设计

提出了一种基于多种群遗传算法(MPGA)的折反射全景成像系统非球面元件的设计方法.结合广义科丁顿公式及几何光学原理,推导出非球面两镜系统像散表达式.在此基础上,利用MPGA,以像散作为非球面两镜系统像差评价参数,求解出满足消像散及指定透视投影关系的非球面面形方程.给出MPGA求解非球面面形的实现过程,并用遗传算法最小二乘混合优化算法得到了便于实现光线追迹和像差计算的非球面多项式.研制了一个焦距为-1.2 mm,F数为1.5 ,视场为360°×(35～90°)的折反射全景成像系统,给出了实验图像,获得了较好的成像质量.     

用于大气遥感探测的临边成像光谱仪

分析了大气临边成像光谱探测的原理,依据应用要求设计研制了光栅色散型紫外/可见临边成像光谱仪原理样机。该样机采用宽波段折射式消色差前置望远光学系统与改进的Czerny-Turner光谱成像系统匹配的结构形式,工作波段为540～800nm(一级光谱)和270～400nm(二级光谱),通过切换紫外、可见带通滤光片来实现两个波段分别探测,质量为8kg,体积为450mm×250mm×200mm。用该样机进行了实验室光谱实验,并对光谱分辨率进行了分析,测量了该样机的实际光谱分辨率。测量结果表明,该样机的实际光谱分辨率为1.3nm,接近其理论光谱分辨率1.12nm,满足设计指标1.4nm的要求,并具有体积小、质量轻等特点,适合空间遥感应用。     

用于电离层探测的远紫外成像光谱仪研究

电离层成像探测一直是我国大气遥感的一个薄弱环节.根据大气成像光谱探测原理,针对应用要求设计和研制了电离层探测成像光谱仪原理样机.样机采用一片离轴抛物镜与改进的Czerny-Turner光谱仪匹配的光学结构形式,工作波段为120～180 nm的远紫外波段.探测器选用了接收平面为微通道板(MCP)的光子计数型楔形阳极位敏探测器,在真空下实现对远紫外波段的探测.样机质量6.8 kg,体积360 mm×210 mm×250 mm.利用实验室真空系统与氘灯搭建了样机检测系统,获得了样机的基本性能参数.与国外方案结果对比表明,样机光谱分辨率为2.4 nm,空间分辨率75 μm,对应地面分辨率约0.6 km,除传输效率略低外,其他各项指标均接近或达到先进水平,该成果对空间和大气遥感具有重要的研究和应用价值.     

用于大气临边探测的高光谱成像仪研制

用于大气临边探测的高光谱成像仪是一种探测大气痕量气体的新型空间光学遥感仪器。分析了利用高光谱成像仪进行大气临边探测的原理,设计并研制了一台紫外/可见高光谱成像仪原理样机,该样机光学系统由前置望远系统和改进的Czerny-Turner光谱成像系统组成,工作谱段为280～390 nm和560～780 nm,通过转轮切换紫外、可见滤光片分别探测这2个波段。高光谱成像仪原理样机质量为15 kg,体积500 mm×350 mm×200 mm。对该样机的性能进行了检测并测量了低压汞灯的光谱。性能检测结果表明,空间分辨力为0.44 mrad,光谱分辨力为1.3 nm,均满足设计指标要求。该样机结构紧凑、质量小,在空间大气痕量气体探测领域有广泛的应用前景。     

快照式光谱光场成像技术

针对快照式多维成像系统难以实现高维成像的问题,本文提出了一种快照式光谱光场成像方法,使用单个探测器实现了对目标场景光谱光场信息的快速获取.该方法将聚焦光场成像结构引入到快照式超光谱成像傅里叶变换光谱仪中,首先获取混叠了目标场景光场信息和干涉信息的原始图像,然后使用基于卷积神经网络的信息重建算法,将光场信息和干涉信息从原...     

Investigation of spectral resolution in a Czerny Turner spectrograph

This article describes a smiple and low-cost Czerny-Turner spectrograph capable to operate in spectral range from approximately 350–900 nm. A sine drive assembly was used for linearizing the wavelength scale. The wavelength and pixel position calibration problem have been solved using light sources with known wavelength emission lines, and a polynomial fitting method to find the relationship between diffraction wave-lengths and pixel numbers. The pixel resolution ∼0.015 nm/pixels and FWHM ∼0.1 nm at 170 μm entrance slit width are sophisticated enough to serve well in a research laboratory, yet is simple and inexpensive enough to be affordable for educational use.     

基于滤光轮双相机系统的高光谱分辨率成像

滤光轮光谱成像系统在光谱成像领域应用广泛,空间分辨率高,但是光谱分辨率较低。针对这一问题,提出了基于滤光轮双相机系统的高光谱分辨率成像,设计了一种基于插分补偿的多光谱计算重构方法,实现系统的高光谱分辨率、高空间分辨率成像。首先利用滤光轮双相机成像系统采集多光谱图像以及RGB图像,然后从多光谱图像获取离散的光谱响应曲线,最后根据RGB三通道数据与光谱高维数据之间的映射关系以及能量守恒定理,进行光谱响应曲线的插分补偿并实现高光谱分辨率成像。实验结果表明,本文方法能够在保持空间分辨率的情况下,高效地实现光谱分辨率为5 nm甚至更高光谱分辨率的成像,重建结果与真实值的均方根误差为0.017 1,具有较好的准确性和鲁棒性。     

传递辐射计光谱通道的优化设计

鉴于传递辐射计对成像光谱仪定标时其通道选择对成像光谱仪的定标精度具有重要影响,本文使用MATLAB语言编写评价函数,作为对3 000K黑体光谱曲线进行多光谱反演精度的评价标准,最后利用MATLAB遗传算法和模式搜索算法工具箱对评价函数寻找最小值解,即传递辐射计的最优通道选择,并根据评价函数对光谱通道数、中心波长偏移、带宽展宽和测量系统误差对光谱反演精度的影响进行分析。结果表明,为实现0.12%的光谱反演精度,要求传递辐射计中心波长的偏移量不超过0.2nm、带宽展宽不大于0.02nm,测量系统误差小于0.1%。本研究可以指导传递辐射计的设计,对提高地球成像光谱仪的定标精度具有重要意义。     

Spectral properties and dynamics of gold nanorods revealed by EMCCD‐based spectral phasor method

Gold nanorods (NRs) with tunable plasmon‐resonant absorption in the near‐infrared region have considerable advantages over organic fluorophores as imaging agents due to their brightness and lack of photobleaching. However, the luminescence spectral properties of NRs have not been fully characterized at the single particle level due to lack of proper analytic tools. Here, we present a spectral phasor analysis method that allows investigations of NRs' spectra at single particle level showing the spectral variance and providing spatial information during imaging. The broad phasor distribution obtained by the spectral phasor analysis indicates that spectra of NRs are different from particle to particle. NRs with different spectra can be identified in images with high spectral resolution. The spectral behaviors of NRs under different imaging conditions, for example, different excitation powers and wavelengths, were revealed by our laser‐scanning multiphoton microscope using a high‐resolution spectrograph with imaging capability. Our results prove that the spectral phasor method is an easy and efficient tool in hyper‐spectral imaging analysis to unravel subtle changes of the emission spectrum. We applied this method to study the spectral dynamics of NRs during direct optical trapping and by optothermal trapping. Interestingly, different spectral shifts were observed in both trapping phenomena. Microsc. Res. Tech. 78:283–293, 2015. © 2015 Wiley Periodicals, Inc.