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。     

机载海洋改进型Dyson高光谱成像仪的研制

针对海洋环境、海洋水色等领域的发展需要,设计了一种适于机载的宽视场、大相对孔径的改进型Dyson光谱成像系统。根据海洋环境污染的光学特性,利用不同目标反照率值估算目标信号的信噪比,将高光谱成像仪的工作波段扩宽至紫外波段;使用大像元尺寸的探测器、大相对孔径的成像系统来满足对海洋目标弱信号的识别,同时通过降低积分时间来避免近海岸沙滩信号过强引起的探测器饱和。该光谱仪的工作波段为0.32~1.05μm、相对孔径为f/1.8、像元尺寸为24μm×24μm,通过加入弯月形的矫正镜避免了狭缝、探测器、滤光片和单透镜相互之间产生干涉。设计结果表明,整个光学系统各波长的传递函数均大于0.83,谱线弯曲和谱带弯曲均小于像元尺寸的4%。所设计成像光谱仪系统适用于海洋环境污染,尤其是海洋溢油污染的监测。     

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。     

13.5nm Schwarzschild显微镜系统及成像实验

研制了工作波长为13.5 nm的Schwarzschild成像显微镜.从共轴两镜系统的基本理论出发,通过消除三级球差、彗差和像散设计了Schwarzschild物镜的光学初始结构,计算了物镜的光学传递函数.结果表明,物镜在士0.3 mm视场内像方空间分辨率可达550 lp/mm.根据工作波长和镜面的入射角度设计了Mo/...     

凸面光栅成像光谱仪的研制与应用

考虑传统光栅成像光谱仪受光学畸变的限制难以同时实现大光学孔径和小型化要求,利用全息法设计并制作了凸面光栅,并以该凸面光栅作为核心元件研制了便携式成像光谱仪。该光谱仪以推扫方式进行目标扫描,获取成像光谱数据立方。仪器的光谱分辨率为2.4 nm,光谱谱线弯曲为0.1%,色畸变为0.6%,体积为209 mm×199 mm×110 mm。介绍了仪器的工作原理和结构设计,并进行了实验室检测和室外花卉实际光谱测量。测试结果表明:凸面光栅成像光谱仪的光谱分辨率为2.1 nm,光谱谱线弯曲为0.09%,色畸变为0.6%,均满足设计要求,实际花卉光谱测试亦取得了较为理想的结果。     

大视场快焦比施密特系统在星载光谱仪中的应用

根据大视场和快焦比空间遥感高光谱成像仪的研究目标,采用折叠三反施密特望远镜和自由曲面Offner凸面光栅光谱仪结构,设计了一个视场为5°,焦比为2,工作谱段在400～1 000nm,光谱分辨率为5nm的星载高光谱成像仪光学系统。推导了非对称非球面施密特主镜的理论计算方法,介绍了镜面的制造方法。利用Zemax光学设计软件进行了光线追迹和优化设计,结果显示光谱畸变0.88%,光谱弯曲1/3探测器像元,所有谱段的光学传递函数均大于0.8,满足星载高光谱成像仪的技术要求。施密特系统结构简单,仅含有一个非球面,在大视场工作时具有像质优良和畸变小的特点,且中心遮拦比小、体积紧凑,适合未来大视场快焦比的大口径星载遥感应用。     

改进的宽谱段车尔尼-特纳光谱成像系统设计

针对传统的车尔尼-特纳光谱仪像散较大的缺点,基于像差理论,提出了一种改进的车尔尼-特纳光谱成像系统.将平面光栅置于发散光中,利用平面光栅产生的像散来补偿物镜产生的像散.推导出了宽谱段像散同时校正条件,实现了宽谱段像散的同时校正.具体分析了像差校正的原理和方法,编制了初始结构快速计算程序.作为实例,设计了一个谱段为540～780 nm的宽谱段像散同时校正车尔尼-特纳光谱成像系统,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,并对设计结果进行了分析.结果表明,全视场调制传递函数在整个工作波段均达到0.52以上,实现了宽谱段像散的同时校正,并获得了良好的成像质量,满足了设计指标要求,结果也证实了所提出的改进方法是可行的.     

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。     

TOF-SIMS样品光学成像系统设计

本研究为飞行时间二次离子质谱仪（TOF-SIMS）设计了一种具有高空间分辨率的样品光学成像系统。该系统由一种改进的Schwarzschild双反射系统、45°反射镜、变焦镜头及CCD图像传感器构成。采用ZEMAX软件对传统Schwarzschild模型进行计算和改进,得出系统优化参数并进行仿真验证。仿真结果表明：系统最佳的成像分辨率达1 μm,极限分辨率为0.4 μm,RMS半径小于艾里斑直径,波像差满足瑞利判据,成像质量良好。     

全海深大视场超高清光学系统设计

为满足我国深海成像设备需求,针对水下光学像差特点完成了全海深大视场光学成像系统设计。根据深海系统使用环境,对光学参数与结构形式进行了分析与探讨;采用常用玻璃及球面透镜设计,完成了小型化低成本高性能的光学设计实例;通过控制光线角度来提高光学系统能量利用率。选用YAG透明陶瓷为抗压窗口材料,通过有限元力学分析仿真获得形变与抗压阈值。通过ANSYS软件分析窗口与支撑结构,设计满足全海深11 000m使用环境(120 MPa)要求。光学系统的工作波段为410～630nm,视场角达80°,相对孔径为1/2.8,全视场MTF0.3(@91lp/mm)。该系统成像质量及光学窗口抗压性均满足深海成像科考需求。     

插入Féry棱镜的小型Offner超光谱成像系统的设计

为了减小超光谱成像系统的质量和体积,校正光谱成像的谱线弯曲,提出了一种新型带有Féry曲面棱镜的Offner超光谱成像系统。在该系统中,一对Féry曲面棱镜位于Offner中继系统的两臂,光束两次通过Féry棱镜进行分光,因此当获得指定大小的色散值时该结构具有比传统结构更小的质量和体积。为了减小可见近红外(VNIR)光谱通道的非线性色散,在该结构中还引入一对消色差火石Féry棱镜。设计了应用于VNIR和短波红外(SWIR)两个光谱通道的超光谱成像系统,并给出了设计结果。结果表明,该光谱成像系统在两个光谱通道内的谱线弯曲均小于0.1个像元,色畸变均<0.045个像元,而非线性度小于0.1,可满足机载或星载超光谱成像仪的要求。     

谐衍射中、长波红外超光谱成像系统设计

为了充分利用中波红外和长波红外的光谱信息,建立了谐衍射中、长波红外超光谱成像系统。利用谐衍射元件独特的色散特性,将谐衍射透镜应用于中、长波红外超光谱成像系统中,使系统在中波红外3.7~4.8μm和长波红外8.5~12μm的2个谐振波段内获取二百多个不同波长的图像信息。设计结果显示,在中波红外波段18lp/mm处,光学调制传递函数0.52;长波红外波段13lp/mm处,光学调制传递函数0.51;光学系统的点斑均方根直径在中波红外波段小于27μm,在长波红外波段小于34μm。得到的结果表明,光学调制传递函数在各个波长处均接近衍射极限,点斑的均方根直径完全可以与国内现有探测器的像元尺寸匹配。     

显微高光谱成像系统的设计

设计出一种基于棱镜 光栅 棱镜组合分光方式的显微高光谱成像实验系统.系统根据推帚式成像光谱仪的原理进行设计,采用棱镜 光栅 棱镜组合元件在后光学系统进行光谱分光,利用高精度载物台自动装置驱动样品进行推扫成像,选用PCI总线作为数据采集的微机接口.整个系统由显微镜、分光计、面阵CCD相机、载物台自动装置以及数据采集与控制模块等几部分组成.系统的光谱范围从400nm到800nm,120个波段,光谱分辨率优于5nm,空间分辨率大约1μm.该系统具有直视性、光谱分辨率高、结构紧凑、成本低等优点;不仅能够提供微小物体在可见光范围的单波段显微图像,而且能够获得图像中任一像素的光谱曲线,实现了光谱技术和显微成像技术的结合,成功的将成像光谱技术应用到显微领域,可广泛应用于临床医学、生物学、材料学、微电子学等学科领域.     

用于沿海水色探测的机载紫外-可见-近红外高光谱成像仪

本文主要设计一种新型的可用于机载的紫外-可见-近红外高光谱成像系统,从而为沿海水色环境与污染观测提供一种有效的观测仪器。首先,根据探测目标特点确定了仪器系统的性能设计参数,选择了Dyson成像光谱系统来满足系统在宽谱段上的高信噪比和高光学性能;但Dyson成像光谱系统的结构过于紧凑,因此对Dyson成像光谱系统进行了研究,调整了狭缝、像面和光学元件的位置,使它们在轴向和垂直轴向上均具备足够的间隔,并在这种大空气间隔下分析了系统的完善消像差条件。通过光程分析和弯月透镜的加入,使改进型Dyson系统在0.278的数值孔径和320～1 000 nm的宽波段上具备良好的成像结果,全视场全波段MTF值在探测器奈奎斯特频率下(38.5 lp/mm)高于0.5,研制原理样机的光谱分辨率为3.375 nm,满足设计要求。该系统可为沿海水色环境的高光谱观测提供良好的工程应用基础。     

谱线弯曲对成像光谱仪辐射信号采集的影响

为了研究谱线弯曲对棱镜色散成像光谱仪光谱辐射信号采集的影响。首先,给出探测器像元采集到的辐射能量的表达式。然后,结合复合棱镜的色散特性,在可见近红外光谱范围（400～1000nm）内,计算当光谱偏离量为0.01d、0.1d和0.5d（d为探测器像元尺寸）时系统采集到的辐射能量与没有谱线弯曲情况下系统采集到的辐射能量的归一化差值,衡量谱线弯曲下系统辐射测量的变化。结果表明：谱线弯曲引起的探测器上的光谱偏离导致系统辐射信号采集发生变化,与没有谱线弯曲的情况相比,采集到的景物辐射信号在大气吸收带的边缘出现明显的偏差,且信号的差值随光谱偏离量的增大而增大,当光谱分辨率提高时,一些较弱的吸收峰附近也会出现明显的信号偏差。对于光谱分辨率平均为10nm的成像光谱仪,谱线弯曲量应控制在0.3nm以内。     

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。