AOTF成像光谱仪光机系统设计

基于AOTF成像光谱仪原理样机的总体设计方案,提出工作谱段范围400nm～900nm声光可调谐滤波器(AOTF)成像光谱仪系统的光机系统设计。该原理样机的光学系统采用三组镜头组合而成,前置望远镜系统采用1倍的物镜与准直镜光学系统组合,成像镜同时采集由AOTF产生的正交偏振的正、负一级衍射图像,全系统在32lp/mm的空间频率下,MTF大于0.7。

一种新型面阵CCD航天立体摄影测量光学系统

采用一台大面阵CCD和广角摄影物镜的组合,研制成功一种新型的单面阵CCD航天立体摄影测量系统.该系统焦距为23.3mm;视场角为40°;在空间分辨率为36lp/mm时,MTF均值达到0.8以上;光谱适应范围为0.5μm～0.75μm.和国内外常用的三线阵CCD遥感立体测量相机相比,本系统结构更简单、体积更小,重量更轻,更加适用于航天遥感应用环境.

AOTF成像光谱仪光学系统的最优方案选择

基于声光可调谐滤波器(AOTF)的成像光谱仪是一种新型的成像光谱仪,它除了具有一般成像光谱仪的二维空间信息与一维光谱信息外,还能获得目标的偏振信息。在实际应用中AOTF可接收的光束孔径角一般不大于5°～6°,因而受到所采用声光晶体可接收角度的限制,AOTF光谱成像仪的光学系统不能同时兼顾大孔径与大视场。要求AOTF成像光谱仪视场满足128×128像元,TeO2晶体尺寸为10mm×10mm,根据声光可调谐滤波器成像光谱仪光学系统的特点,分析比较了2种光学系统总体方案,最终将系统的孔径光栏放置在晶体上,TeO2晶体尺寸限制了孔径光栏的尺寸,晶体可接收的角度决定了系统的视场角,提高了能量利用率,获得较高的图像信噪比。

用于航天立体摄影测量的光学系统设计

介绍了一种用于航天立体摄影的大视场准远心光学系统，其光组结构形式为复杂化的双高斯型．主要光学参量为f’=23．3mm；2ω=37．8°；F／数=F／5；MTF均值达到0．8时，对应的空间分辨率大于36lp／mm；光谱适应范围为0．5～0．75／μm．在实验室进行了模拟推扫，合成了三维立体图像．模拟试验结果表明该光学系统满足航天立体摄影的要求．

声光可调谐滤波器(AOTF)消色散设计

介绍了非共线声光可调谐滤波器的构成及基本原理,计算了非共线声光可调谐滤波器衍射出的±1级衍射偏振光的偏转角,采用在光路中添加光楔的方法补偿非共线声光可调谐滤波器晶体色散引起的图像漂移.分析结果表明使用TeO2材料设计的光楔在楔角为7.6°的时候可以控制图像漂移在一个像元以内,并在400～900nm的工作波段范围内满足稳定成像的要求.

空间非合作目标的天基光学组合探测系统

为了实现对天基空间非合作目标探测、成像，提出了一种空间非合作目标的光学探测、成像组合系统。该系统由两套光学子系统和转台子系统组成，成像相机子系统能够对宽视场相机给出的重点目标高分辨率成像，宽视场相机可以在大范围内自主实现对中低轨上运行的距离800km以上空间目标的探测，并能够在目标接近到150km～30m的范围内实现对目标的连续跟踪和成像。该光学组合探测成像系统与转台配合可以实现对目标的全域普查以及区域特定目标的详查。两套子系统之间相配合能够实现大范围、远近距离目标的识别、跟踪及成像，应用于空间飞行器防撞系统中，对于保障空间飞行器的安全具有重要意义。

地面景物模拟器的光学系统设计

为了使CCD立体相机与干涉成像光谱仪在发射前能够快速检测图像质量,设计并研制了一种应用于CCD立体相机与干涉成像光谱仪共用的地面景物模拟器光学系统。介绍了地检景物模拟器的光学系统方案,根据实际使用要求,确定了地面景物模拟器光学系统的设计参数。该系统焦距为150 mm,视场角为10°,空间分辨率为36 lp/mm,光谱适应范围为0.48~0.96μm。设计结果表明,地面景物模拟器光学系统对被检CCD立体相机与干涉成像光谱仪的图像质量几乎没有影响。其奈奎斯特空间频率上的MTF与CCD立体相机和干涉成像光谱仪的MTF值几乎一样。为验证光学成像探测系统CCD立体相机与干涉成像光谱仪的光机及电子学系统的状态是否正常提供了依据。

基于声光可调谐滤波器角位移补偿方法研究

基于声光可调谐滤波器的偏振成像光谱仪是一类同时具有成像、光谱测量和偏振测量功能的新型光电传感器。非共线声光可调谐滤波器(AOTF)可以快速获得全视场不同窄谱段的o光和e光偏振图像。但是,AOTF波长调谐时,衍射角会随扫描波长的变化而变化,造成同一目标不同谱段的图像发生相对偏移。本文介绍了非共线AOTF的工作原理,分析了基于声光可调谐滤波器的偏振成像光谱仪角位移产生的机理,对近些年来国内外的成像光谱偏振仪的基于声光可调谐滤波器的偏振成像光谱仪角位移补偿方法研究进行了总结分析,对于旋转平面反射镜方法、在晶体出射面加工楔角的方法、棱镜补偿方法、单晶体光楔补偿方法、双光楔补偿方法的原理进行了阐述,并对基于声光可调谐滤波器的偏振成像光谱仪的发展趋势进行了展望。

分孔径全斯托克斯测量仪中元件参数的分析

为了分析分孔径全斯托克斯测量仪中元件参数设置对目标测量结果的影响,比较分析相位延迟量分别为90°和132°时,方位角(-45°,0°,30°,60°)和(-51.7°,-15.1°,15.1°,51.7°)参数下装置的3个品质因数,并仿真该参数装置下波片相位延迟量变化为±2°时,对测量结果的影响。结果表明,测量结果的误差与波片快轴方位角的分布无关,与波片相位延迟量有关;波片相位延迟量为132°的装置优于90°的装置,当误差为±2°时,线偏振(S_0,S_1,S_2)的平均误差由1.586%降为0.693%,下降了56%,全局(S_0,S_1,S_2,S_3)的平均误差由1.2%降为1.03%,下降了14%。

嫦娥一号卫星成像光谱仪光学系统设计与在轨评估

介绍了嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪的科学目标、总体设计思想、方案选型、工作原理、光学实施方案、光学系统设计及评价、空间环境适应性考虑、发射前光学图像质量检测、在轨运行情况及在轨性能评测.

探月光学

介绍了我国首次绕月探测嫦娥一号卫星的主载荷CCD立体相机与干涉成像光谱仪的原理、设计思想、技术措施与特色、设计结果以及在轨图像质量评估与检测.CCD立体相机采用一个广角物镜加一块面阵CCD的独特技术方案,从而使立体相机具有结构紧凑、小型轻量、配准精度高、航天环境适应性强等优点.4种曝光时间与4种电子学增益共16组合,可以实现同轨不同纬度的曝光量调整.干涉成像光谱仪采用了大比尺缩小的图像传递、2×2像元合并、矩形孔径光阑、2种曝光时间与3种电子学增益共6种组合的在轨曝光量调整等技术措施.在轨运行表明,各项技术措施有效,达到了预期目标.

嫦娥二号卫星CCD立体相机设计与验证

介绍了嫦娥二号卫星CCD立体相机的设计思想与结果、发射前检测与地面推扫成像试验。嫦娥二号卫星CCD立体相机仍采用与嫦娥一号相同的线阵推扫成像模式,但嫦娥二号卫星CCD立体相机的技术指标要求大幅度提高,主要表现为地元分辨率由嫦娥一号的120m提高为嫦娥二号在100km圆轨上优于7m与在100km/15km椭圆轨道近月弧段优于1m。地元分辨率提高,加之轨道降低造成地速增大,致使在100km/15km椭圆轨道上对虹湾极低反射率的月面成像时最长曝光时间不能超过0.6ms。同时又要求相机在100km圆轨上曝光时间为4.5ms时不产生饱和,即CCD立体相机既要满足100km圆轨的全月面立体成像,同时又要满足在100km/15km椭圆轨道上1m成像分辨率的局域高精细探测,从而要求扩大相机的动态范围以及提高探测灵敏度,这些都使嫦娥二号CCD相机的设计、研制难度大幅增加。实际设计与发射前检测表明,嫦娥二号卫星CCD立体相机很好地满足了任务要求。

Sagnac棱镜角公差与干涉光谱仪光谱分辨率的关系分析

根据干涉成像光谱仪光谱分辨率对角向差的要求,通过对实体Sagnac干涉仪结构和光路进行分析,从三个相互垂直的方向出发,研究了光谱分辨率和棱镜角公差之间存在的关系;并推导了满足光谱仪光谱分辨率要求的实体Sagnac干涉棱镜的角公差公式;用实例说明了关系式的应用方法,如果不考虑棱镜变形引起的色散及棱镜的面型误差和付氏镜的残余像差的影响,而只考虑棱镜的角误差对光谱分辨率的影响,则通常情况下干涉棱镜的角公差要求较严,约20″以内·

衍/折射光学系统校正二级光谱的研究(英文)

将衍射和折射光学元件结合,对星载用宽光谱(420.0～900.0nm)、长焦距(450mm)望远物镜的二级光谱进行了校正,计算了衍射透镜的结构尺寸和望远镜系统的像差。计算机模拟结果表明:采用衍/折射混合校正后的望远物镜的二级光谱不大于0.08mm,轴上点的位置色差也很小,实现了复消色差,光学传递函数也基本接近衍射极限。所设计的整个系统可以满足实用要求。

实体Sagnac干涉仪的设计

以嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪为例,介绍了Sagnac干涉仪的设计思想,共光路及横向剪切原理、剪切量的计算方法以及干涉仪分束面上分束区与透射区的设计.该Sagnac横向剪切干涉仪作为嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪的核心部件,经检测与在轨运行,表明设计正确,经受了包括月食低温在内的各种恶劣的航天环境的考验,获得了大量清晰的月表多光谱图像.

折射率、色散变化量与宽谱段傅氏镜二级光谱变化量的分析

介绍了宽谱段傅里叶变换镜头中光学玻璃的折射率、色散变化对系统的成像质量的影响.推导了折射率、色散变化量所引起的光学系统二级光谱的变化量公式.重点讨论了在宽谱段光学系统中,光学玻璃在折射率、色散上的变化量,所造成的胶合薄透镜的二级光谱的变化量.其系数在本文例中达0.28,相当于变化量占理论二级光谱余量的28%,因此在宽谱段系统中的二级光谱余量的变化量不应该被忽略.实例表明光学玻璃的折射率、色散变化量对宽谱段傅里叶变换镜头的成像质量有显著的影响.此外,还考虑了傅里叶变换透镜的波像差问题,其设计值小于1/10波长,采用最优玻璃对组合,可以保证波像差小于1/10波长,完全满足使用要求.

干涉成像光谱仪中宽谱段傅氏光学系统设计

设计了一种宽谱段前置光孔远心光学系统,其孔径光阑位于透镜组的焦面上,该设计集宽谱段自动复消色差、长工作距、前置光孔及远心等特点于一体.讨论了这样一种特殊光组的设计.选用国产牌号的光学玻璃配对,价格低廉且在校正色差后,自动校正宽谱段二级光谱,并实现了透镜组两侧同时具有长工作距.设计结果表明,光学系统的残余二级光谱很容易控制在千分之一焦距以内,波面平行差小于0.00022弧度.

衍/折射光学元件消二级光谱的设计

采用衍/折射光学元件结合的方法,使用两种玻璃设计了星载用长焦距望远物镜,对其二级光谱进行了校正。具体介绍了衍/折透镜望远透镜消二级光谱方法、步骤。计算机模拟结果表明:校正后的望远物镜轴上位置色差小于0.08mm,满足使用要求,并且设计方法步骤简单。

非制冷热成像长波红外两档变焦光学系统

与红外连续变焦光学系统相比,红外两档变焦光学系统具有结构简单、装调容易、透射比高等优点。研究了红外两档变焦光学系统的设计方法并给出了具体设计实例,该系统采用轴向移动式变焦方式,设计结果表明,在-20℃～40℃的温度范围内,空间频率14 lp/mm处,宽视场和窄视场都具有良好的成像质量。

高温电视摄像镜头设计

讨论了在高温环境下使用的电视摄像镜头的设计方法,分析了在这种特殊使用条件下的材料选择、光学参数的确定和光轴的指向问题.提出了一种采用三次成像的方法来实现设计要求,在保持系统各单元孔径都很小的前提下,拉长系统的结构长度,并给出了具体设计结果的评价参数,表明该系统可在较宽的温度范围内获得非常好的成像质量,设计思想适合于高温环境下光学系统的设计实践.