紧凑型消像散长狭缝光谱仪光学系统

为提高高光谱遥感仪器的幅宽和减小其体积,重点研究适用于宽幅高光谱遥感应用的长狭缝、紧凑型Wynne-Offner光谱仪.通过追迹主光线,导出像散表达式,分析Offner装架和Wynne-Offner光装架的像散特性.指出Wynne-Offner装架的消像散圆域大于Offner装架的消像散圆环域,前者更适用于长狭缝.给出两个光谱仪实例,狭缝长度均为70 mm,分别工作于0.5~1.0 μm和1.0~2.5 μm波长范围,成像质量接近于衍射极限,光谱畸变可忽略,具备狭缝长、结构紧凑、像质优的特点,适用于宽幅高光谱遥感应用.

自由曲面光学元件待加工区域标记方法

提出了一种使用三坐标测量机（CMM）对自由曲面光学元件表面待加工区域进行标记的方法。针对自由曲面光学元件外形特征设计工件坐标系,规划工件坐标系定位点,通过坐标变换将待加工区域的像素坐标转换为对应的自由曲面工件坐标系的标记点位置坐标,将待加工区域的感兴趣点三维坐标导入CMM,使用CMM对工件坐标系下标记点位置自动探测,实现待加工区域的标记,提高了检测效率也避免人为标记定位误差。

高分辨率可视穿刺针光学系统的设计与研制

为了实现穿刺过程中的精准定位,设计研制了一款视场角为90°,焦距为0.67 mm的高分辨率可视穿刺针光学系统。为使光学系统的光轴垂直于穿刺针的倾斜刃面,利用反射棱镜对光束进行转折,实现45°视向角。光学系统采用反远结构,并对初始结构参数的计算公式进行推导。经过优化设计后,系统成像质量接近衍射极限,最大光学元件尺寸小于1.5 mm。利用研制的光学系统和微型CMOS图像传感器,装配完成了一款直径为4 mm的可视穿刺针。对该可视穿刺针分别进行调制传递函数(MTF)测试和成像试验,测试结果表明,研制的光学系统具有较好的成像质量,物方分辨率优于18.03 lp/mm,能够实现清晰成像。

基于数控加工高次离轴非球面反射镜的刀具轨迹规划研究

研究了五轴机床铣磨高次离轴非球面技术,分析了B-C双转台五轴机床的运动学原理,得到了刀轴矢量与B、C轴转角的数学映射,建立了刀具轨迹算法模型。针对高陡度高次离轴非球面矢高变化率太大等问题,对其进行坐标系变换使其近轴端和远轴端等高,将离轴非球面由母镜坐标系位置转化到子镜坐标系位置,坐标变换后高次离轴非球面在子镜坐标系下的方程求解困难,提出一种新的求解旋转后高次离轴非球面坐标的方法,最后通过Matlab仿真和实例分析,利用五轴机床加工等高处理的高次离轴非球面,经三坐标测量仪测量,结果为面型PV值5.92μm,RMS值为0.893μm,验证了刀具轨迹算法和坐标变换算法的正确性。

五轴加工中心范成铣磨离轴非球面研究

离轴非球面作为非球面的一部分,是空间光学系统、天文学和高精度测量系统不可或缺的光学器件。针对空间光学对离轴非球面光学元件制造技术的重大需求,开展了离轴非球面反射镜的精密铣磨加工技术研究。分析了五轴联动范成法铣磨离轴非球面的原理,将离轴非球面所在的同轴母镜离散为一系列不同半径的球面环带,将工件坐标系建立在待加工离轴非球面的同轴母镜中心位置,使用杯形砂轮依次范成离轴镜所在的同轴母镜上的环带,由众多的球面环带拼接出离轴非球面。对Φ100mm直径离轴抛物镜进行工艺试验,环带宽度7.28mm,一次加工面形精度PV达到7μm,RMS达0.622μm,加工用时7min。研究表明该方法具有可行性,为离轴非球面快速铣磨提供了有效的解决方案。

面向小行星探测的可见-红外光谱成像光学系统

设计了一种用于小行星探测的宽波段可见-红外Offner型光谱成像光学系统。该系统的工作波段覆盖0.4~2.7μm,其可见-近红外(VNIR)通道(0.4~1.0μm)和短波红外(SWIR)通道(1.0~2.7μm)的F数分别为6和3。通过求解及优化初始结构,设计完成的光学系统点列图直径小于单个像元尺寸,且在Nyquist频率处的调制传递函数(MTF)值不小于0.51。为改善系统的光谱响应,满足宽波段成像的需求,系统中的凸面光栅被分成两个具有不同周期的区域,分别工作在VNIR通道和SWIR通道。根据光学设计结果,开展原理样机研制并进行性能测试。测试结果表明,研制得到的光学系统成像质量良好,满足设计指标要求。

棱栅型波数线性分光光学系统的分析与设计

在谱域光学相干层析系统中,波数线性光谱仪不仅可以降低图像的插值误差、提高图像质量,还可以提高系统的成像速度和灵敏度。因此,针对现有棱栅型分光光学系统的不足,提出了一种结合棱栅结构分光和物镜像差补偿的方法,通过引入畸变和垂轴色差,实现了极高的波数线性度。设计了工作波段为750~950 nm,光谱分辨率为0.1 nm,长约为148 mm的波数线性光谱仪。设计结果表明,该光谱仪的波数线性度达到0.0056,约为像差补偿前的11倍。仿真分析结果表明,该分光系统可以明显改善光学相干层析系统的灵敏度,相比未补偿的系统,补偿后系统在光程差为3.5 mm处的灵敏度提高了7.8 dB。

紧凑长轴向色散光谱共焦镜头

为提高和扩大光谱共焦位移传感器的测量精度和测量范围,并解决像方测量大数值孔径和物方光纤小数值孔径匹配下镜头过长的问题,设计一种紧凑型长轴向色散光谱共焦镜头。色散镜头用5个球面镜片,在工作波长450~700 nm内轴向色散范围达3.5 mm,波长和焦移线性拟合相关系数为0.97,像方数值孔径为0.48,光学长度为135 mm。在相同的镜头参数下,该色散镜头的轴向长度相比普通色散镜头减少了约35%。最后利用设计的色散镜头搭建光谱共焦位移测量系统,并进行性能评估实验。实验结果表明,该系统的最大测量标准差为0.05μm,最大平均绝对误差为0.04μm,实际轴向分辨率优于0.5μm,对被测物的最大测量角约为28.5°。

性能参数可调的宽视场轴向色散镜头

为提高光谱共焦位移传感器的检测效率和稳定性,设计一种性能参数可调的宽视场轴向色散镜头。基于快照式光谱共焦测量原理,提出一种轴向色散倍增的宽视场色散镜头设计方案。将色散镜头关于中间光阑前后对称放置,建立轴向色差和剩余像差评价函数,得到库克结构初始参数,实现对称的半组镜头。在前组不变的情况下,采用复杂化库克结构设计不同数值孔径的后组,替换后组可实现具有不同轴向色散距离、分辨率和视场的轴向色散镜头。为了测试轴向色散镜头的性能,搭配成像光谱仪分光模块、针孔阵列板和白光LED,组成快照式光谱共焦测量实验装置,验证了研制的可调两种性能参数的轴向色散镜头具有良好性能。所提轴向色散镜头设计方案可用于构建快照式光谱共焦测量系统并实现高精度和高效率的3D形貌测量。

基于分区光栅的可见-红外光谱成像系统的衍射杂散光分析及抑制方法

光谱成像系统采用分区光栅作为分光元件,能够实现光学元件的复用,具有工作波段宽、光谱分辨率高和结构紧凑等优点。然而,该系统的孔径光阑位于分区光栅处,宽波段光束同时入射至各通道光栅区域上,不同频率光栅的多级衍射光会导致不同通道之间产生干扰,其难以被消叠级滤光片去除。该问题严重影响有效光谱信号的提取和分析,甚至淹没有效目标信号。通过光线追迹确定系统中衍射杂散光的来源,并根据分析模型计算衍射杂散光系数。根据光学系统的结构特点,提出采用线性渐变滤光片和光阑镀膜两种衍射杂散光的抑制方法,并分析了滤光片带宽要求以及光阑镀膜对衍射杂散光系数的改善效果。分析结果表明,光阑镀膜方法能够将系统的衍射杂散光系数降至0.57%。相较于线性渐变滤光片方法,光阑镀膜方法易于实现,适用于基于分光光栅的光谱成像光学系统的衍射杂散光的抑制。

非制冷热红外成像光谱仪内部杂散辐射的分析与抑制

尺寸小、成本低和寿命长的非制冷热红外成像光谱仪对探测高温目标有巨大潜力,但其严重的内部噪声会降低检测灵敏度。非制冷热红外成像光谱仪主要的噪声包括探测器噪声、光机元件表面散射杂光引起的噪声、光栅非工作级次产生的杂光噪声和光机元件自身的背景辐射噪声。推导了包含上述噪声的噪声等效温差(NETD)公式,以Offner型热红外成像光谱仪为例,分析NETD与系统F数和机械元件内表面光学属性等主要影响因素之间的关系,研究了光机表面抛亮处理在抑制光谱仪内部背景辐射噪声方面的能力。最后,采用像元间线性关系法扣除了剩余的噪声,使探测信号与目标本身信号基本一致。