基于LCTF的艇载多光谱CCD相机的光学系统设计

提出了一种基于液晶可调谐滤光片(LCTF)多光谱CCD相机光学系统设计方案,该光学系统焦距60 mm,F数为3.5,谱段范围400～720 nm,视场角16.6°.采用前置扩束光学系统获得满足液晶可调谐滤光片孔径、视场角要求的光束,后继成像系统采用双高斯型结构,像质分析表明,此设计能够满足使用要求,在谱段范围内,16个波段都能清晰成像,满足实际工程需要.     

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。     

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。     

液晶可调谐滤光片及其在光谱仪上的应用

多光谱成像仪是一种有效的观测工具。本文介绍作为色散元件的液晶可调谐滤光片的基本结构及其原理,并着重对液晶可调谐滤光片在多光谱成像仪中的应用进行描述。     

一种红外多光谱成像光学系统设计

介绍了一种中波段的多光谱成像光学系统,由于窄带滤光片对光线入射角度有严格要求,故在光学系统中窄带滤光片的放置位置尤为重要.光学系统由三部分构成,分别为光束压缩单元、分光单元和成像单元,光线经过光束压缩单元口径压缩,但各个视场仍然保持平行光状态,入射到窄带滤光片上的角度均小于7°,满足窄带滤光片的最小入射角要求,最后经过成像单元成像在制冷型中波探测器上.通过细分光谱可以很好的提高目标识别能力.     

天基光丝激光雷达光谱仪光学系统设计

为了实现光丝激光雷达系统的天基应用,开展了天基光丝雷达光谱仪光学系统设计,根据应用需求确定光谱仪光学系统构型主要由望远系统、狭缝、准直系统、平面光栅、成像系统构成;为了解决谱段宽可能引入的色差问题,光谱仪系统采用全反射结构设计;完成了光学系统与各项指标分析,通过设计可达到以下指标：光谱仪谱段范围为320～950 nm,光谱分辨率为2 nm,光谱仪最大色畸变为1.1μm（即0.07 pixel）,3个像元内的能量集中度大于96%,光学传递函数MTF在3.7 lp/mm下可达到0.99。所设计的光谱仪系统可用于星载大气成分高分辨率光谱探测。     

用于高分辨率光谱仪的离轴三反射镜光学系统的设计

面对空间遥感,尤其在目标特性的精细化识别中,要求成像光谱仪具有高灵敏度、高光谱分辨率与高能量通过力等优点．在同轴三反射光学系统的基础上,采用视场离轴方式,设计了一个三镜无遮拦全反射光学系统．次镜和光阑重合,无中间像,实现了高分辨率、大视场、长焦距的要求．光学系统的基本参数为：焦距f’=1600mm,视场角为2w=18°×0．148°,相对孔径为1／10,3个反射面均为二次曲面．设计结果表明,成像质量接近衍射极限,用此方法设计的光学系统在航天遥感领域具有很好的应用前景．     

高分辨率成像光谱仪的光学系统设计方案

德国空间局和欧洲空间局在各种空间飞行计划中已经提出高几何和空间分辨率成像光谱仪光学系统的设计方案。成像光谱仪测量光谱间隔5—15nm,波长范围400—2400     

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。     

Offner型成像光谱仪前置光学系统设计

针对Offner 型成像光谱仪结构特点,总结了其前置望远系统的选型及设计原则;介绍了一种大视场、长焦距、像方远心离轴三反光学系统的设计方法;利用该方法优化设计了一款焦距800 mm,视场达8.60.148,工作波段0.9~5 m 的星载Offner 型成像光谱仪的前置望远光学系统。对其性能分析表明,在Nyquist 频率16.7 lp/mm 处,各谱段的调制传递函数值均在0.65 以上,接近衍射极限,完全满足成像质量要求。同时证明了该设计方法可行,所设计系统结构紧凑,较易加工,适于空间遥感用Offner 型成像光谱仪。     

基于LCTF成像仪的光谱反射率测量研究

目标物体的光谱反射率是水下光谱检测中重要的物理特性。复杂的水下环境,尤其是浑浊水体对光有较强的吸收与散射作用,增大了光谱探测的难度。文中在比对测量法的基础上,提出了引入黑、白板对测量结果进行矫正的光谱反射率探测方法。利用基于液晶可调谐滤光片的水下光谱成像仪快速稳定地采集多浊度、多光照条件下的光谱图像数据。数据分析结果证明了浊度增加会使得黑、白板的像素响应比值非线性增加,尤其在400~500 nm范围内。且基于黑白板的光谱反射率探测方法可以有效去除水体散射对光谱反射率重建的影响,使得不同浊度条件下得到的目标物光谱反射率最大绝对误差为5.3%。     

采用相干技术的高分辨光谱检测系统设计

采用外差相干技术理论上可以获得低至MHz量级甚至更高分辨率的光谱信息。介绍了一种基于外差相干技术方法实现的光谱检测系统,并推导了90光学混频器和平衡探测器的信号传输原理,讨论了本振光和滤波器的性能参数与光谱检测分辨率的关系。利用光通信系统设计软件OptiSystem建立了完整的相干光谱检测系统的模型,并使用波长扫描和迭代运算模拟了实际本振光信号的工作模式,验证了该方案实现高分辨光谱分析的可行性和优越性。最后分析了对于频率间隔为40 MHz的被测信号,不同的本振光扫描线宽、扫描步长和滤波器带宽参数组合实现的仿真结果,并总结了光谱检测精度对本振光和滤波器等关键参数的要求。     

面阵探测器连续扫描成像光学系统

研制了一套用于面阵探测器360连续扫描成像的红外光学系统。该光学系统包含了一个无光焦度的望远镜、一个方位补偿摆镜及一个二次成像物镜,采用了制冷型面阵红外探测器。引入了方位补偿摆镜,按二倍角关系朝相反方向摆动,解决了面阵探测器连续扫描中的成像拖尾与模糊问题。采用了像方扫描方式,使得摆镜通光尺寸由物方扫描的大约40 mm220 mm缩减至目前14 mm22 mm,摆镜质量减轻了95%以上,摆动频率可达100 Hz,使系统可在1 s内完成对360方位的扫描成像。系统结构简洁紧凑,共由八片透镜以及一片反射镜组成,像质接近衍射限。实验室测试结果表明:方位补偿摆镜固定时,对小圆靶成像有明显拖尾成长条状;而开启摆镜摆扫之后,小圆靶成像清晰无变形,成像效果接近凝视型。     

高分辨率大面阵微型相机设计

小型化相机是支持低成本微型飞行器或微小卫星对地观测等多项应用的关键设备,由此提出了一种高分辨率大面阵的小型化成像系统。首先预估了该成像系统用于目标观测的像元分辨率和幅宽。然后阐述了该系统的电子学方案,对其中的关键芯片OV14825的工作原理进行了介绍,并分析了基于FPGA的串行差分数据接收转发的软件设计。最后基于设计的相机样机开展了成像实验,在13m成像距离条件下获取图像分辨率优于0.5mm,而且图像细节丰富,层次分明,证明该方案切实可行。高分辨率大面阵微型相机具有很好的应用价值。     

高分辨率红外成像仪五反无焦主系统设计

为提高多通道红外成像仪的空间分辨率,同时确保系统结构紧凑,具有良好的轴对称性,设计了应用于像方扫描主系统的主镜轴对称的五反无焦系统。论述了基于初级像差理论的五反无焦系统设计方法,由各镜面之间的放大率和遮拦比求解出了结构参数,利用初级像差系数求解出了反射面二次曲面参数,并且编制了初始结构计算程序。设计了一个入瞳直径1 m、视场50.1、工作谱段8~10 m、口径压缩倍率10的五反无焦系统。设计结果表明:光学系统最大波前差RMS值优于0.065(=9 m),最大光程差优于/4(=8~10 m),各视场的MTF曲线接近衍射限。该设计方法可广泛应用于高分辨率多通道成像仪的光学系统设计。     

基于FPGA的大面阵CMOS相机高速率电子学系统设计

目前深空遥感探测多采用CCD作为高分辨率相机的传感器,相较于CCD,面阵CMOS驱动更简单、功耗更低、抗辐射能力更强,是深空遥感探测目前的发展趋势。为此,本文基于CMOSIS公司生产的型号为CMV20000,图像分辨率为5 120×3 840的CMOS探测器,设计完成了一个大面阵CMOS高分辨率相机,图像分辨率为5 120×3 840。详细阐述了以FPGA为核心的电子学系统的整体结构,结合CMV20000的工作模式和时序电路,实现了高分辨图像的高速传输以及数据校正。试验结果表明,设计的相机系统方案合理,解决了CMV20000数据无法对齐的数据校正问题,系统运行稳定可靠,安装光学系统后能够获取高质量图像。     

低空高分辨率激光雷达光学系统设计

针对“低慢小”目标光学成像识别能力差、复杂背景下信噪比低等问题，设计了一款低空高空间分辨率激光雷达光学系统。发射光学系统扫描器件采用MEMS反射镜，设计了专用扩束光学系统保证不同扫描角度发射激光的光束质量；接收光学系统采用物镜、数字微反射镜器件结合偏振器件，可同时实现激光回波接收与可见光成像，相较于采用单点探测器接收的激光接收系统，具有背景噪声低的优势。给出了光学系统的性能参数，利用光学设计软件设计了光学系统，该系统空间分辨率为0.5 mrad/pixel，扫描点阵列规模为200×200。模拟结果表明设计方法可行，计算其在大气中的探测距离可达到1000 m，背景噪声相较于单点探测器接收系统可降低约22162倍。     

机载高分辨率连续变焦红外热像仪设计

针对中波640×512元红外焦平面探测器设计了一套1:20小型高分辨率连续变焦热像仪,对热像仪的光学系统和系统的灵敏度等进行了设计和计算。设计结果表明,连续变焦红外热像仪具有变倍比大、分辨率高、灵敏度高、体积小、像质好等特点,满足设计要求,可用于机载光电探测和跟踪系统。     

一种基于微流控技术的光开关阵列设计与研制

提出一种基于微流控技术的二维电光开关阵列装置,其基本形式为"储气层+波导层+储液层"的结构。通过气压与电润湿效应双重作用实现对光开关单元中液柱高度的控制,从而控制光路中光束的全透射和全反射以实现光的"开"和"关"。讨论了光开关的工作电压、插损和响应时间等参数。研制结果表明,该结构具有体积小、结构简单、功耗低、能实现集成化和微型化制作的特点。     

单探测器共孔径多光谱成像系统设计

为了解决多光谱成像系统的轻小型设计难点,采用单探测器多谱段成像方案进行了同时刻四谱段成像系统的光学系统设计。分光原理为,在物镜组前方设置四片楔形滤光棱镜,并在棱镜表面镀上透过不同谱段的透过薄膜;物体辐射经过棱镜后不同谱段的辐射发生不同方向的偏折,即在焦平面的不同位置形成了分离的光谱像。设计过程中,采用渐晕的方法解决谱段间的重叠问题。设计得到的光学系统波段数为4,工作波长为8.20~8.60 m、9.40~9.80 m、10.60~11.20 m及11.20~12.20 m,焦距为55 mm,全孔径为80 mm,光学系统的弥散圆直径小于40 m,并分析了系统的像差特性。分析结果表明,该系统具有良好的成像质量,满足多谱段成像要求。