中波红外傅里叶变换成像光谱仪后置成像系统分析与设计

提出了一种基于多级微反射镜的静态化新型红外傅里叶变换成像光谱仪结构。系统不含狭缝和可动部件,因此光通量大、结构稳定。介绍了该成像光谱仪的工作原理和光程差的产生方式。根据系统原理对后置成像光学系统进行了分析与设计。结果表明:在-20℃~60℃的温度范围内,系统成像质量良好。全视场传递函数在CCD奈奎斯特频率17lp/mm处大于0.6。系统的均方根(RMS)最大光斑直径小于12μm,系统单个像元能量集中度大于80%,冷光阑匹配效率接近100%。以RMS光斑直径变化为标准,计算了系统的公差灵敏度矩阵,计算结果表明,后置成像系统0视场光斑尺寸小于16μm的可能性为97.7%。     

傅里叶变换光谱仪中的主要技术环节

本文总结了在研制傅里叶交换光谱仪(FTS)或成象傅里叶变换光谱仪(IFTS)时应当考虑的主要技术环节,包括仪器函数、光谱分辨率、扩展光源、动镜运动误差、噪音等效功率、信噪比等,并给出相应计算公式.     

新型空间调制微型傅里叶变换光谱仪的设计与仿真

傅里叶变换光谱仪(FTS)在光谱分析中的应用越来越广泛,并且其微型化的趋势也愈加明显。文章设计了一种新型空间调制微型傅里叶变换光谱仪。在介绍其结构理论的基础上,对其空间的光强分布进行了模拟,通过对该结构下引起相位误差因素的详细分析,采用改进的Mertz相位校正方法对小双边的采样数据进行了光谱复原,其理论分辨率可达到3.43 nm@800 nm,信噪比的理想分辨极限为6.8 dB。该结构的微型FTS可以用微机械加工的方法来实现,具有性能稳定,误差容易校正等优点,文章对空间调制微型傅里叶变换光谱仪的结构设计及仿真,为微型FTS的微机械加工实验提供了理论支持, 还为微型傅里叶变换光谱仪的进一步应用提供了更广阔的空间。     

静态傅里叶变换光谱仪的微阶梯反射镜设计及制作

静态傅里叶变换光谱仪的反射镜采取微阶梯反射镜,使光谱仪可在无需空间驱动装置的前提下实现空域上各级次的同时采样。通过理论研究和对测试数据的对比分析,确定使用楔形玻璃条制作微阶梯反射镜。此方法采用常规光学零件加工工艺制作1个楔形玻璃块和10个楔形玻璃条,然后按序选取楔形玻璃条,并逐一光胶在楔形玻璃块的斜面上,且相邻楔形玻璃条的接触面用紫外胶固连;水平方向反复推动相邻后一个楔形玻璃条直到检测仪器测量出相邻楔形玻璃条的阶梯厚度差达到要求为止;用紫外灯固化紫外胶;重复以上步骤制作出所需台阶数目的微阶梯反射镜。和别的制作方法相比,此方法安全性和可行性高,而且具有一致性、台阶厚度可控特点,可制作出台阶高度误差为0.124 μm、表面粗糙度为12 nm的微阶梯反射镜,达到系统设计要求。     

一种静态傅里叶变换红外光谱仪的光学系统分析与设计

对基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪进行了光学分析,研究了光源尺寸、光强分布的不均匀性和光学系统像差等因素对光谱复原的影响。发现光源尺寸影响光谱分辨率,光强分布的不均匀性和光学系统像差会产生基线噪声。数值计算的结果表明,当光阑的尺寸小于2.5mm,不均匀的标准偏差小于0.5,准直系统的波像差均方根值小于0.05,以及缩束成像系统的光斑直径小于30μm时,光谱复原的噪声可以忽略。给出了光学系统的设计结果。     

高分辨率傅里叶变换成像光谱仪光谱重建并行算法

高分辨率傅里叶变换成像光谱仪具有高空间分辨率和高光谱分辨率的特点,但光谱重建时间冗长。通过对傅里叶变换光谱重建流程分析,为研制的1024pixel(光谱维)×1024piexl(像宽)×1024piexl(像高)高分辨率紫外傅里叶变换成像光谱仪的数据立方体反演,设计了一种并行优化算法。实验表明,在6核处理器上对512M和2G的数据立方体进行变换,时间分别只需88.33s和489.75s,加速比分别为3.70和3.04,大幅度提高了运算效率。如将该算法应用到更多内核处理器上,可得到更高的加速比和更少的运算时间。     

集成光波导静态傅里叶变换微光谱仪分辨率倍增方法

研究了铌酸锂波导静态傅里叶变换微光谱仪分辨率的影响因素, 并在此基础上提出了一种采用端面反射铌酸锂波导结构提高微光谱仪光谱分辨率的方法. 该方法容许在减小铌酸锂波导静态傅里叶变换微光谱仪尺寸的同时, 使两干涉臂间最大光程差增大1倍, 从而使其光谱分辨率实现倍增. 采用商业化铌酸锂波导电光调制器构建了一个傅里叶变换光谱仪原理样机, 并对样机在不同波长下的光谱分辨率进行了测量, 结果指出对调制器加载端面反射结构后获得的光谱分辨率是加载端面反射结构前的2倍, 与理论分析结果完全一致. 这种光波导端面反射结构制作工艺简单, 易于实现, 是一种提高集成光波导静态傅里叶微光谱仪分辨率的有效手段.     

紫外傅里叶变换光谱仪干涉图数据处理

阐述了干涉图数据处理方法 ,采用紫外傅里叶变换光谱仪实验测量了汞灯光谱干涉图。使用四阶Blackman Harris窗函数作为切趾函数 ,采用最小二乘法拟和多项式对光源傅里叶变换光谱进行相位校正 ,获得了高精度的Hg紫外发射光谱     

全光纤傅里叶变换光谱仪的关键技术研究

研究一种基于光纤Mach-Zehnder干涉仪结构的全光纤傅里叶变换光谱仪(fiber fourier transform spectrometer, FFTS)。设计了光程调制范围可达2 cm的压电陶瓷光纤相位调制器,代替传统傅里叶变换光谱仪中的动镜产生光程扫描。实验中采用1 310 nm DFB激光器作为参考光源,对测试光干涉图进行等光程间隔采样,以消除压电陶瓷非线性光程调制产生的误差。通过对测试光干涉图做傅里叶逆变换得到测试光光谱图。利用该FFTS系统测量了ASE宽带光源的光谱,并将测量结果和光栅光谱仪测量结果进行了对比,结果表明两者所测ASE光谱线型一致。最后,利用光纤光栅作为样品,对FFTS系统的光谱分辨率进行了检测,光谱分辨率达到了0.78 cm-1。     

空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪研究

针对目前环境、医疗、空间、气象、军事及安全等领域对傅里叶变换红外光谱仪微小型化、轻量化及固态化的迫切需求,提出并研究了一种以MOEMS多级微反射镜为核心器件的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪。在理论研究方面,建立了空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪的物理模型,探究了该系统的光场分割与空间采样的光学原理;分析了多级微反射镜的衍射效应,提出了一种通过补边抑制衍射噪声抑制方法;进行了多级微反射镜采样误差的分析,并提出了基于最小二乘拟合的修正算法;通过对光源空间相干性、准直系统像差以及入射光场均匀性的分析,确定了光学系统的总体设计指标;通过对多级微反射镜基片加工精度、分束器材料色散特性和膜层透射效率等的计算分析,确定了干涉系统的设计方法与技术参数。在核心技术方面,提出了两个多级微反射镜的3种制作方法,分析了制作误差的来源及对系统性能的影响。通过工艺设计及实验条件探索,分别采用电铸法、真空镀膜法以及斜面倾角叠片法制作了两个多级微反射镜。在系统设计方面,进行了红外准直与缩束系统的光学设计,对整体光机系统进行了建模仿真,分析了杂散光噪声的来源。在图谱处理方面,利用过零采样方式,通过图像分割算法,获取了干涉图采样序列;通过对干涉图序列的插值、补零、延拓与卷积方法,完成了光谱相位误差的校正;通过离散傅里叶变换解调,实现了由干涉图像到信号光谱的数据反演。最后研究了系统光机整体的集成组装技术,并对原理样机进行了实验测试。本文研制的空间调制微型傅里叶变换红外光谱仪的特点在于:取消了动镜驱动机构与采样控制机构,具有微小型与轻量化的特点;干涉图的采样由多级微反射镜完成,其空间采样的方式增加了系统的稳定性与可靠性,实时采样的特点增加了系统的快速性与有效性;多级微反射镜阵列采用MOEMS工艺技术制作,增加了系统的采样精度。该光谱仪系统的结构及制作方法具有自主知识产权,并具有广阔的应用前景。     

时空联合调制成像光谱仪前置成像系统分析与设计

为满足红外成像光谱仪大光通量、高稳定性的应用需求,提出了一种基于多级阶梯微反射镜的静态化、无狭缝式、新型红外时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪结构.对其工作原理和光程差的产生方式进行了分析.作为该成像光谱仪的重要部件,前置成像系统决定了光程差的分布,其性能直接影响到目标物体的图像质量.根据系统光程差的产生方式,分析和设计了像方远心光路结构的前置成像系统.利用被动光学消热差方法对前置成像系统进行了消热差研究.结果表明:当温度在-20—60?C的范围内时,各个视场的调制传递函数均达到衍射极限,在多级阶梯微反射镜的总阶梯高度范围内成像质量良好;在不同的温度下,各视场处主光线在像面上的最大入射角小于0.02?.     

Field-compensated birefringent Fourier transform spectrometer

A field-compensation method applied for Savart birefringent Fourier transform spectrometer is presented. By using a combination of Savart plates fabricated from positive and negative birefringent materials, the useful solid angle of field of view can be increased by a large amount in broad spectral coverage. Compared to the conventional Fourier transform spectrometers, the compensated field angle has optical throughput higher by one order in magnitude. To demonstrate the effectiveness, a design example operating at 400-1100 nm with a large solid angle exceeding ± 40° is presented in detail.     

空间调制型傅里叶变换光谱仪光场的均匀性研究

基于多级微反射镜的空间调制型傅里叶变换光谱仪在光场的横向空间同时采集所有光程差的干涉图信息,所以光场能量的空间分布特性影响着系统的性能。文章将空间分布函数引入到光谱仪系统中,通过仿真实验得到,分布函数调制后的干涉图对比度下降,同时复原光谱中出现边频谱线。理论分析表明,干涉图调制度下降来源于调制度函数对光程差采样空间的周期性变化;而边频谱线则是光源的单色谱线对调制度函数的空间频谱进行频率搬移的结果。最后,提出了平场校正的差影算法与反向恢复算法。仿真结果表明,反向恢复算法可以更好的复原出干涉图和光谱。     

非对等FOV作用下的高分辨率FTIRS仪器线型函数研究

视场角(FOV)是仅次于最大光程差、决定高分辨率傅里叶红外光谱仪(FTIRS)仪器线型函数(ILS)的重要因素.由于光学设计和装调原因,理论为圆形FOV的扩散光束,到达探测器端时,其水平和垂直方向上的FOV值往往不再严格对等.对此,提出了以椭圆形面光源取代传统文献中的圆形面光源来反映这种非对等性,并结合最大光程差参数,...     

基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪中准直误差的分析

通过对基于多级微反射镜的空间调制傅里叶变换红外光谱仪准直误差的分析,模拟了准直误差的存在而导致的干涉图大光程差处对比度反转和光谱图边频噪声的产生。讨论了在不同的误差系数下复原光谱图的信噪比和分辨率,并且分析了干涉图大光程差处对比反转以及光谱图边频分量的产生原因。仿真结果表明,在误差系数α=0.15°.mm-1时,光谱的信噪比会下降到6 dB,同时光谱分辨率会退化到13.4cm-1。本文的结论将应用于微型光谱仪系统的光学设计与装调。     

Error analysis on dihedral angle of corner-cube reflectors in Fourier transform spectrometer北大核心CSCD

Fourier transform spectrometer is an important spectral analysis instrument. To research the influence of the dihedral angle error of corner-cube reflectors on interference quality of oscillating Fourier transform spectrometer, the theoretical analysis and computer simulation were carried out. According to the oscillating Fourier transform spectrometer model, the mathematical expressions of the interference intensity and modulation depth with dihedral angle error were deduced. The tolerance of dihedral angle was determined by the modulation depth criterion. The optical design software Zemax was used to establish the model for simulation and verify the results of theoretical derivation. According to the modulation depth criterion, the tolerance of dihedral angle obtained by the theoretical model is 2.52″, and that obtained by the Zemax simulation is 2.38″. The error is 0.14″, which is acceptable. The analysis results show that the established theoretical model is reasonable, which has certain reference value for the design and installation of oscillating Fourier transform spectrometers. © 2022 Editorial office of Journal of Applied Optics. All rights reserved.     

全反射式高分辨率傅里叶成像光谱仪的研究

提出了一种基于分波前干涉结构的全反射式高分辨率傅里叶变换成像光谱仪。其中前置望远系统及干涉成像系统都采用了反射式光学元件,反射表面镀金属反射膜,使系统可应用与很宽的光谱范围内。分析和讨论了光谱仪的工作原理及光学结构,设计了两种可行的光路结构图,并通过初步实验验证了系统的基本性能。     

Microcomputer control and data analysis for a far infrared Fourier spectrometer

A commercial general-purpose microcomputer is used to provide real-time experimental control, data acquisition and data analysis for a far infrared Fourier spectrometer. The interfacing and programming procedures are described. The microcomputer gives excellent performance at a low cost.