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。     

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。     

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。     

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。     

中/长波红外双衍射级次共路Offner成像光谱仪

为提高成像光谱仪的工作波长范围,提出了基于双波段焦平面探测器(FPAs)的双衍射级次全共路Offner成像光谱仪结构。该结构中凸面光栅的一级衍射光和二级衍射光完全重叠共路传输,并可由焦平面处的双波段红外焦平面探测器IR FPAs实现级次的自然分离和同时探测。分析了该结构的工作原理和设计方法,基于几何光线追迹法仿真了谱线弯曲和色畸变特性,基于Huygens点扩散函数(PSF)仿真了光谱响应函数(SRF)并导出了光谱带宽。实验显示:双衍射级次共路Offner成像光谱仪的工作波段为3~6μm(二级衍射)和6~12μm(一级衍射),谱线弯曲和色畸变均小于0.5个像元宽度,光谱带宽分别为13.2~14.3nm(二级衍射)和28.3~33.3nm(一级衍射),两个工作波段内的衍射效率均大于或等于20%。整个系统结构简单紧凑、光谱范围宽,满足对地物或深空目标的中等分辨率的中远红外光谱探测需求。     

太阳CO4.66μm光栅光谱仪的光学设计

为了实现对太阳中红外光谱CO 4.66μm波段的观测,设计了一台光谱中心波长为4.667μm的高分辨中红外光谱仪。基于科学观测需求分析了光谱仪的技术指标,为降低红外仪器的背景辐射,光谱仪整体置于真空制冷环境中;为达到高分辨率的观测需求,采用中阶梯光栅作为分光器件;为获得更优的像质,同时达到压缩光路的目的,光谱仪采用李特洛结构与离轴三反消像散技术相结合的光学设计,离轴三反同时承担了光谱仪中准直和成像的功能。在同轴三反系统的几何光学成像理论的基础上,研究了同轴三反结构、离轴三反结构以及光谱仪结构的求解和设计优化方法。光谱仪的焦距为1 300 mm,数值孔径为0.035,视场为20.3'×0.158',系统的整体尺寸小于700 mm。结果表明,在工作波段范围内,光谱仪点列图的均方根直径小于5μm,能量集中于一个像元尺寸范围内,光谱仪系统设计结果满足要求。     

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。     

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。     

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。     

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.     

1 000万像素全景监控镜头的光学设计

为满足全景监控镜头的高清、大视场的要求,采用反远距系统设计了工作波段为可见的4.86~6.56μm、F数为2、垂直全视场角为185°、焦距为1.3mm的1 000万像素高清全景监控镜头光学系统。通过匹配光学材料和分配透镜光焦度,在-20~+60℃温度范围内对全景监控镜头光学系统进行了设计及像质评价。结果表明,系统在奈奎斯特频率300lp·mm-1处中心视场的光学调制传函接近衍射极限,大于0.4,0.7视场以内的光学调制传函大于0.3。系统整体无温度离焦,成像质量良好、结构紧凑,且适用于感光面尺寸为6.119mm×4.589mm、像元数为3 664×2 748的CMOS探测器。     

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。     

红外变焦光学系统设计

对于320×256非制冷焦平面阵列探测器(像元尺寸25μm×25μm),设计了工作在8～12μm波段折射式红外连续变焦光学系统。该系统在变焦过程中相对孔径不变,F/#为1,系统变倍比为3∶1,焦距50～150mm,光学筒长209.5mm。该系统由5片透镜构成,并且仅使用锗一种材料。该系统采用机械补偿的方法,通过引入非球面和衍射面,使系统结构简化,并且提高了成像质量。系统在空间频率为20lp/mm处,各个视场的MTF均在0.5以上。     

大口径折反射式变焦距物镜的设计

本文介绍了一种大口径变焦距物镜的设计方法,该方法将整体光学系统分为前后两个部分,在前端光学系统采用反射式的结构来满足大口径的要求,后端光学系统采用将变焦距物镜倒接的方式,在系统的一次像面处进行组合,通过对后端倒接变焦距物镜的优化设计保证系统的成像质量。同时,通过具体的实例加以验证说明,从设计的结果看这种设计方法是可行的,并能保证系统结构的简单紧凑,解决了大口径光学系统在实现连续变焦时光学系统设计困难的问题。     

3.2~8 mm百万像素变焦安防镜头设计

设计一种可用于监控系统的大孔径百万像素变焦距光学成像镜头,采用1/3英寸CCD接收,像元大小为3.75μm。镜头在短焦、长焦位置时F数分别为1.6,2.1。利用Zemax工程光学设计软件,对镜头进行了设计与优化,并对优化后的结果进行了分析。设计的镜头在极限分辨率时,MTF较高,公差也相对较松,可以满足实际生产要求。     

高精度测温拉曼激光雷达光谱仪的光学设计

为了抑制边缘纯转动拉曼光谱成像偏差,提出了一种高精度测温拉曼激光雷达光谱仪光学系统设计。该系统利用非球面透镜组对光谱仪成像球差进行校正,针对光谱仪10mm/nm的线分辨率要求,采用双光栅结构设计并对测温拉曼光谱仪各参数进行光线追迹,拟合得到双光栅的入射角、准直镜焦距和聚焦镜焦距的最优值。将拟合最优化结果代入Zemax软件进行优化分析,结果显示单个成像光谱成像宽度控制在0.771 5mm,间隔0.1nm的纯转动连续光谱成像中心间隔可以达到1mm,满足了线阵探测器对成像质量的要求。通过计算在J=6级的纯转动拉曼后向散射信号对瑞利-米散射信号实现了108抑制,达到了高精度纯转动拉曼激光雷达测温的目的,解决了目前双光栅光谱技术无法达到提取355nm波段纯转动拉曼高光谱精度的要求,对测温拉曼激光雷达的技术发展有着深远的意义。