棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统的光学设计

设计了一种基于棱镜-光栅-棱镜(Prism-Grating-Prism,PGP)分光器件的新型成像光谱仪.论述了此成像光谱仪的工作原理和结构形式,包括PGP、准直物镜和成像物镜的设计要求.PGP元件中采用体积相位全息透射光栅,可以获得高的衍射效率,并且能与棱镜较好地胶合.给出了此成像光谱仪的设计结果,其光谱范围为400～800 nm,像元光谱分辨率约1.6 nm,系统长度为85 mm.

短波红外棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪光学系统设计

提出了一种基于棱镜-光栅-棱镜分光器件的短波红外成像光谱仪光学系统,该系统由离轴三反射式望远物镜、准直镜、棱镜-光栅-棱镜和会聚镜组成,光谱覆盖950~2500 nm,空间视场达到22.5°.在实现宽视场、宽波段设计的同时,优化设计了棱镜-光栅-棱镜分光器件的各个参量.通过偏斜会聚镜光轴和棱镜-光栅-棱镜光轴在光谱维的角度,可以良好地校正色畸变keystone和谱线弯曲smile,将二者控制在5μm以下,使得成像光谱仪获取的光谱信息更为准确.

棱镜-光栅-棱镜分光模块整体化设计及衍射特性分析

PGP模块是超光谱成像仪中重要分光器件。为了能够在制作前有效预测PGP整个系统的衍射效率分布及其衍射特性,提出了PGP整体化设计方法。从体位相全息光栅设计角度出发,结合棱镜与光栅各项参数的制约关系,编制了计算PGP整体衍射效率的分析软件,综合考察了棱镜与光栅各项参数对PGP模块衍射特性的影响,讨论了光栅布拉格波长的漂移特性,据此设计了一种用于成像光谱仪的宽波段高衍射效率PGP分光模块。模拟结果表明:棱镜1材料的色散系数越小,PGP的光谱带宽越窄;光栅布拉格波长的漂移增大了PGP模块和光栅的光谱带宽,带宽增大使光栅的角度选择性随之增大,拓宽了棱镜1材料的选择要求;棱镜1顶角、光栅的胶层厚度和相对介电常数调制度等参数是影响PGP衍射效率分布的重要因素,制作时需要精确控制。利用此方法设计的PGP分光模块在400～1 000nm波段范围内衍射效率不低于50%,并给出具体设计参数,这对PGP制作具有一定的参考价值。

格兰-付科棱镜光强透射比曲线波动成因的研究

随空间入射角的连续变化,格兰-付科棱镜的光强透射比曲线会产生较大的波动。为了抑制这种波动,利用偏振光实验系统对格兰-付科棱镜的光强透射比进行了实验,并在假设棱镜空气隙间存在多光束干涉的条件下,对棱镜的光强透射比实验的过程进行了数值模拟。模拟结果和实验结果吻合的非常好。首次相对定量地给出了格兰-付科棱镜的光强透射比曲线随入射角变化而波动的根本原因。并提出了两种抑制格兰-付科棱镜光强透射比曲线波动的方法。结果表明,产生波动的原因是由于棱镜在充当检偏器的过程中,随着步进电机的转动,光束在空气隙上的入射角不断变化,引起空气隙间干涉光束光程差的变化,进而影响多光束干涉加强或减弱而产生的。曲线上的波动较大的原因来自于格兰-付科棱镜的透射光束在切割面上是入射面的s分量,其光强反射比较大的缘故。这一结果对研究具有光强透射比曲线波动抑制功能的格兰-付科棱镜是有帮助的。

棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪光谱分辨率研究

为研究基于棱镜-光栅-棱镜模块（以下简称PGP模块）、光谱范围在400-1000nm成像光谱仪的光谱分辨率问题，提出了PGP光谱仪角色散、线色散的计算方法，并理论推导出计算PGP成像光谱仪光谱分辨率的方法．研究表明，适当减小倒线色散率、狭缝宽度、光栅周期和CCD像素尺寸，都可以提高PGP光谱仪的光谱分辨率，但若仅减小狭缝宽度，又会使进入系统的光通量减少，影响系统的信噪比．用SPECIM公司的IMSPECTORV10系列产品相应参数的对比，印证了光谱分辨率与倒线色散率、狭缝宽度的关系．

白光——光栅再现普通透射全息图原理

根据全息术基本原理 ,从理论上分析得到了白光再现普通透射全息图获得各色像重合需要满足的条件 ,论述了利用光栅实现该条件的可行性 ,给出了辅助光栅、全息图与再现图像位置的关系方程 。

格兰—傅科棱镜空气隙对棱镜透射比的影响

对于给定的格兰—傅科棱镜,详细分析了其单块直角棱镜以及整个棱镜在不同波长光源入射情况下的透射比,并用一全新的实验方法对其进行了严格的实验验证以及误差分析.结果表明:在不涉及到空气隙引起的多光束干涉带来的影响情况下,即测量单块棱镜透射比时,误差很小,最大不超过0.9%,而在测量整只棱镜时,由于空气隙的厚度带来的多光束干涉问题,测量值与理论值会出现较大偏差,而这一偏差甚至超过10%.

过渡层在格兰—泰勒棱镜减反射膜中的应用

为提高泰勒棱镜的透射率,减小波长的控制误差,研究了过渡层在格兰一泰勒棱镜减反射膜中的作用.研究证明:采用合适的薄膜材料做过渡层,不仅提高了棱镜的透射率,而且拓宽了减反射膜的带宽,提高了产品的合格率.

无缝光谱仪用紫外透射闪耀光栅的制作

无缝光谱巡天是如今国际天文学研究的重点方向,相比较地基巡天任务,空间巡天可获取更多紫外波段与红外波段的光谱信息,其发展受到色散元件的制约,针对紫外波段的核心色散元件|紫外透射闪耀光栅开展了一系列研究.通过全息干涉光刻产生图形,离子束垂直刻蚀将图形转移至基底形成光栅掩模,利用光栅掩模对倾斜离子束的遮挡作用,使得槽底不同部位受到离子束的轰击通量不同,从而获得非对称的槽形结构.实验分析了倾斜离子束刻蚀中沉积物的主要组成以及对槽形和闪耀角度的影响,并在去除沉积物影响的情况下,成功制作了线密度为333 lines/mm,闪耀角度分别为13.2◦、10.5◦的紫外透射闪耀光栅,峰值衍射效率分别可达理论值的88%以及92%,为制作高衍射效率紫外透射闪耀光栅奠定了基础.

棱镜-光栅组合色散型超光谱成像系统的优化设计

大视场、超光谱分辨率、高空间分辨是光谱成像仪的发展方向,谱线弯曲和色畸变的抑制则是二维谱图信息准确提取的前提。提出了一种棱镜-光栅光谱成像结构形式,并采用矢量方法构建了棱镜-光栅组合色散元件的数学模型,优化了分光模块的结构参数,基于此组合色散元件设计了一个具有近直视光路结构的超光谱成像仪光学系统。该系统光谱范围为400~800nm,入射狭缝长为14mm,F数为2.4,其光谱分辨率达0.5nm,调制传递函数（MTF）在探测器奈奎斯特频率68lp/mm处均大于0.7,谱线弯曲和色畸变均小于1μm,低于单个像素的13.5%。

全息光栅直视分光镜的光路设计及其性能分析

根据色散、衍射和成像原理，报道了以全息光栅－棱镜组件为色散元件的直视分光镜的光路设计和性能分析．该分光镜１９９０年研制成功，是一种用于光谱观察的简便器件．

马普-赫斯棱镜透射比随入射角变化的波动研究

为了研究马普-赫斯棱镜透射比的入射角效应,从实验上测出了其透射比随光的入射角波动的现象。将与棱镜有关的各个参量转化到三点共轴系统的数学模型中,采用了多光束干涉理论以及菲涅耳公式详细推导了由于空气隙的反射而产生的一级光束和其它级次光束的干涉作用对透射比的影响,得到了较为精确的光强透射比公式;对实验中光强透射比随平面入射角的连续变化而呈现出的一定的波动现象做了很好的理论解释;同时从理论上给出当平面入射角为定值时透射比随方位角变化的波动曲线,说明了光强透射比随方位角变化也是波动的,且波动频率和波动幅度均随平面入射角绝对值的增大而增大。

棱镜-光栅组合分光结构参数的优化方法研究

针对现有的棱镜-光栅的组合设计存在结构复杂、调试困难的问题,建立了三棱镜-光栅组合色散的数学模型,提出了仅需改变三棱镜、光栅的空间相对位置来提高光谱色散线性度的双目标优化方法,获得了线性度良好的棱镜-光栅组合结构参数。采用光学标准件对模型的正确性进行仿真和实验验证。仿真结果表明:在400~1000 nm波段,系统具有长为15 cm、光谱线性度良好、结构简单的特点。实验结果表明,在420~780 nm波段,整体分辨率优于2 nm,进一步证明了该方法的有效性。本研究为棱镜-光栅组合设计提供了一种灵活、简单的结构设计方法。

格兰-泰勒棱镜光强透射比波动的成因及抑制方法精确分析

格兰-泰勒棱镜的光强透射比随着空间入射角的改变会出现波动。借助共点三轴系统和多光束干涉公式,得到了偏光棱镜的光强透射比的精确表达式。根据马吕斯定律,利用数值模拟实验,给出了格兰-泰勒棱镜作为检偏镜在光学系统中的光强透射比表达式。数值模拟结果表明:波动的产生来源于平行空气隙间的多光束干涉,波动幅度的大小及出现的位置主要取决于空气隙的平行程度及检偏镜在光学系统中的相对位置。令棱镜的转轴和系统的光轴之间的夹角β=0°,可以实现光强透射比曲线上波动的完全抑制。给空气隙一个小的胶合误差角可以有效抑制光强透射比随空间入射角的波动。抑制波动的临界胶合误差角随入射光束横截面的增大而减小。

双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计

提出了一种双通道共用一个主光学的推帚式高光谱成像仪光学系统,该系统由离轴三反射主光学系统、狭缝、准直镜及分色镜、可见近红外光谱仪后光学和短波红外光谱仪后光学组成,设计中采用双通道共用离轴三反射主光学系统,不仅满足了成像仪大视场、宽谱段的要求,而且提高了系统的光学效率,使系统结构更加紧凑,双通道光谱仪均采用棱镜-全息透射光栅-棱镜分光组件分光,实现了宽光谱分光,提高了衍射效率,系统实现光谱范围覆盖450～2500nm,全视场达23.9°。

用于肿瘤手术在线诊断的成像光谱仪的研制

利用成像光谱仪图谱合一的特性,研制了一台用于临床诊断及术中导航定位的棱镜-光栅-棱镜式小型医用成像光谱仪。介绍了该成像光谱仪的设计原理,根据应用需求对其光学系统进行了分析,测试了光谱分辨率、谱线弯曲、色畸变等重要光学参数。结果显示,该光谱仪的实际光谱分辨率优于5nm,满足应用需求。将该仪器与手术显微镜集成,进行了大鼠脑肿瘤在线诊断,获取了大鼠脑部胶质肿瘤的成像光谱数据。通过光谱数据分析,实现了脑肿瘤位置与大小的准确判断。该仪器具有光谱分辨率高、体积小、与手术显微镜有通用接口、可在手术中进行在线诊断等优点。

可见近红外波段无人机载成像光谱仪设计

为了满足地物成像光谱分析的需要,设计了同轴安装、体积小、重量轻的适用于无人机载的棱镜-光栅-棱镜型可见近红外成像光谱仪.通过角放大率选择、光焦度分配、相对孔径计算设计了视场较大的前置物镜;通过光栅方程求解、体相位全息光栅布拉格条件约束、棱镜折射定律设计了光谱系统的初始结构;通过工作光谱上下限出射角与探测器光谱维宽度的关系确定了成像物镜的焦距;通过出射光角度明确了出射光谱的非线性.设计的无人机载成像光谱仪工作光谱范围为400~1 000nm,视场角为40°,全工作波段在空间截止频率20.8lp/mm处的传递函数值均大于0.67,光谱分辨率小于3nm.装调了无人机载成像光谱仪对室外绿化树木进行光谱推扫成像实验,实现了树叶的多光谱成像.该成像光谱仪能够有效实现光谱成像,性能良好.

消谱线弯曲PGP型成像光谱仪系统设计

针对棱镜-光栅-棱镜(PGP)型成像光谱仪谱线弯曲(Smile)难校正的问题,提出了一种利用狭缝离轴和减小第一块棱镜顶角,再结合会聚镜畸变校正PGP型光谱仪谱线弯曲的方法。该方法在保留了PGP型光谱仪的布拉格(Bragg)衍射和系统共轴等优点的基础上,校正了光谱仪的谱线弯曲和色畸变(Keystone)。在相同的技术指标下,对传统型和改进型PGP模型做了谱线弯曲对比。为了验证该方法的可行性,设计了一款光谱分辨率为2.8 nm的光谱仪,点列图均方根(RMS)半径小于8μm,满足成像质量要求,Smile为1.50μm、Keystone为3.52μm,均小于0.2倍像素。设计结果表明,通过减小棱镜顶角校正中心波长的Smile,利用狭缝离轴实现光谱仪系统共轴,利用会聚镜畸变校正剩余波长的Smile可以有效校正PGP型光谱仪的谱线弯曲。

校谱线弯曲的共轴PGP成像光谱仪光学系统设计

针对共轴棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪的谱线弯曲难以校正的问题,提出了使用弯曲狭缝配合准直镜、聚焦镜畸变校正谱线弯曲的方法。该方法在保留棱镜-光栅-棱镜高衍射效率和光路共轴等优点的基础上,能够校正仪器的谱线弯曲和光谱弯曲。为了提高该方法的通用性,考虑狭缝、镜头畸变、光栅、棱镜等参数,建立棱镜-光栅-棱镜矢量色散模型,给出校正光谱弯曲和谱线弯曲的目标函数,并利用遗传算法对目标函数进行优化,快速计算不同狭缝长度时狭缝形状和镜头参数的最佳组合。用该方法的计算结果设计了一个狭缝长度为22 mm,工作波段为400~800 nm,光谱分辨率为2 nm,F数为3.5的弯曲狭缝PGP成像光谱仪光学系统,该系统谱线弯曲小于1μm,光谱弯曲小于0.7μm,且满足成像质量要求。设计结果表明,用弯曲狭缝配合准直镜、聚焦镜畸变的方法能够有效校正谱线弯曲。