中国科学院西安光学精密机械研究所 光谱成像技术重点实验室，陕西西安710119
在空间调制型哈达玛变换光谱成像仪（Space Hadamard Transforms Spectral Imager， SHTSI）中采用数字微镜阵列（Digital Mirror Devices， DMD）作为编码器件，能够使系统实现小型化、轻量化、高分辨率、高帧频成像。但由于DMD的翻转特性，经过DMD编码后的光学成像面发生12°倾斜，导致SHTSI成像光路和制冷型探测器冷光阑不匹配，造成视场缺失和图像降质。针对这一问题，本文提出一种像面预补偿的新型哈达玛编码光谱成像系统设计方法，在前置成像镜组中采用倾斜和偏心的设计，使得一次像面实现24°倾斜，对DMD在调制过程中产生的像面倾斜进行预补偿，从而消除倾斜成像面造成的图像降质问题。基于该方法设计了SHTSI光学系统，系统全视场点列图RMS小于5 μm，保证系统在全视场范围内能够均匀成像。根据该设计方案研制SHTSI原理样机，试验结果表明，SHTSI系统满足设计指标，对成像数据进行复原，得到复原光谱角距离评价因子优于0.052。
光学系统设计 哈达玛变换成像光谱仪 中波光谱成像 数字微镜阵列 optical designing Hadamard transform spectral imager MWIR spectral imaging digital mirror devices
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对自由曲面光学系统设计中初始结构难以取得的问题,提出了一种自由曲面光学系统的直接构建方法。将理想物像关系和费马原理作为单模块迭代的判据,利用逐点光线追迹的方式可直接从平面无光焦度光学系统中获得具有良好优化潜力的初始结构。在迭代的不同阶段,可通过采样疏密不同的特征光线的方式加快初始结构求解速度。在得到初始光学结构后,可利用光学设计软件进一步优化像质。利用所提方法实现了空间尺寸小于40 mm×70 mm×60 mm的紧凑型150 mm焦距离轴两反光学系统的设计,验证了所提方法在自由曲面光学系统设计中的可行性。
光学设计 几何光学 离轴两反系统 光学自由曲面 光学学报
2021, 41(24): 2422002
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
侧摆扩视场型干涉光谱成像仪通过在光学系统前增加侧摆反射镜来实现视场扩展的功能,然而增加侧摆反射镜会使得不同视场不同通道的光线交错分布,无法使用传统消杂光设计,给杂散光抑制带来困难。针对此类型光学系统提出了一个消杂光设计方法。当侧摆反射镜位于0°、15°、-15°视场位置时,对可见近红外系统和短波红外系统进行了点源透过率(PST)仿真分析。分析结果表明,对于所有侧摆反射镜位置,在视场外0.5°位置处空间视场方向和光谱视场方向的PST可降低至10 -3。基于观测模式,对高光谱成像仪在轨工作时的信号源与杂光源进行分析。基于PST仿真结果,对杂光源在焦平面处产生的杂光能量进行研究,并分析了高光谱成像仪的信杂比,侧摆反射镜位于0°视场位置时可见近红外系统的信杂比为0.1%,短波红外系统的信杂比为0.6%。结果表明,所提的杂散光抑制措施有效,满足星载高光谱仪对杂散光的技术要求。
散射 杂散光分析 点源透过率 信杂比 干涉光谱成像仪 光学学报
2021, 41(10): 1029001
1 西安邮电大学电子工程学院, 陕西 西安 710121
2 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
全息凹面光栅光谱仪具有平谱面、小型化、大孔径、高分辨率等优点。首先从信息光学的角度推导了全息凹面光栅的成像公式,在垂直于狭缝和平行于狭缝的平面上系统分析了全息凹面光栅光谱仪的成像性能;在垂直于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪具有良好的平谱面性;在平行于狭缝的平面上,全息凹面光栅光谱仪克服了传统平面光栅的谱线弯曲和色畸变,实现了谱线平直成像;此外指出全息凹面光栅光谱仪固有的弧矢场曲对视场扩展的限制。然后根据理论分析结果提出了结构对称消场曲的全息凹面光栅光谱仪的设计思想,利用ZEMAX软件优化设计了像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。在保证相对孔径F#=3、光谱分辨率为20 nm/mm、空间分辨率小于25 μm等技术指标不变的前提下,设计了狭缝长度为0.4 mm的传统单球面镜全息凹面光栅光谱仪和狭缝长度为8 mm的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪。结果表明,改进后的像差补偿型全息凹面光栅光谱仪成功地将视场扩大为单球面镜全息凹面光栅光谱仪的20倍。
光谱学 光谱仪 对称设计 全息凹面光栅光谱仪 宽场 平谱面
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术实验室, 陕西 西安 710119
2 西安交通大学数学与统计学院, 陕西 西安 710149
随着光谱成像技术向高空间分辨率、 高光谱分辨率、 高信噪比方向发展, 传统的光谱成像系统面临着数据采集量过大的问题, 同时, 系统分辨率受探测器帧频与像元尺寸影响较大、 大口径长焦距系统难于精密装调、 系统能量受限引起信噪比提高困难。 为了解决上述问题, 研究了一种单色散压缩编码光谱成像系统, 并针对国内压缩编码光谱成像系统工程实现与试验验证不足的问题, 重点研究了该新系统的设计与实现, 模板平移下的系统数学模型及多帧重构算法, 并给出实际样机试验及数据处理结果。 最后, 根据试验情况, 总结提出该新技术后续发展需重点关注的研究内容, 包括编码模板误差分析, 多维稀疏重构模型与算法, 压缩编码光谱成像系统标定技术, 重构算法/重构图谱评价技术。 单色散压缩编码光谱成像系统通过编码、 色散、 甚至下采样, 由探测器接收得到成像观测图像, 然后, 利用该成像数据, 通过重构算法, 得到目标光谱图像数据, 其优点是低数据量采样、 工程实现硬件要求减低、 多通道高通量探测。 相关研究结果表明, 该系统获取的数据有效, 样机设计合理, 重构算法与标定方法较为准确, 其得到的字母HSI目标光谱图像的空间信息清晰, 光谱信息较为准确, 符合钨灯光谱, 其系统设计与实现具有工程可行性。
压缩编码 光谱成像 多帧重构 单色散 Compressed coding Spectral imaging Multi-frame reconstruction Single dispersion 光谱学与光谱分析
2017, 37(9): 2919
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
静态迈克耳孙干涉仪是一种实体式像面干涉仪, 可以解决干涉光谱成像仪大视场的技术难点。在采样过程中, 静态迈克耳孙干涉仪会引入光程差的非线性干涉误差, 导致无法准确复原光谱, 因此需要对非线性干涉误差进行修正。分析了非线性干涉误差的理论模型, 提出了基于数值拟合的非线性干涉光谱数据重构算法, 并进行了仿真验证。仿真结果表明, 采用数值拟合的重构算法可成功复原目标光谱, 消除非线性干涉误差; 与采用线性拟合的重构算法相比, 使用柯西色散公式拟合的重构算法的光谱复原精度更高, 且吸收峰处的反演光谱与入射光谱的相对误差小于0.7%。
光谱学 非线性干涉误差 光谱反演 像面干涉 干涉光谱成像
1 西安邮电大学 电子工程学院，西安 710121
2 中科院西安光学精密机械研究所 光谱成像技术实验室，西安 710119
残留谱线弯曲限制了切尔尼-特纳平面光栅光谱仪在成像光谱仪中的应用.本文不同于传统的基于棱镜的光栅谱线弯曲补偿方法，提出了基于倾斜场镜的补偿方法，即在校正场曲的同时对入射到场镜不同区域，不同波长的狭缝像分别进行谱线弯曲校正，且没有改变系统的其它光学特性.对狭缝大小为7.8 mm×0.016 mm 、光谱范围0.31~0.5 μm、光谱分辨率0.4 nm、物方焦距70 mm、1∶1放大倍率的切尔尼-特纳成像光谱仪进行了优化设计，结果全谱段、全视场MTF>0.8，点列图RMS半径小于9 μm，相对谱线弯曲小于0.2%，满足设计要求.实际设计表明该方法对于可选用光学玻璃有限，且能量较弱的紫外光学系统是一种可选的优化设计方法.
光学设计 光栅光谱仪 场镜 谱线弯曲 切尔尼-特纳 紫外 石英 Optical design Grating imaging spectrometer Field lens Smile Czerny-Turner UV Silica
1 中国科学院西安光学精密机械研究所光谱成像技术重点实验室, 陕西 西安 710119
2 中国科学院大学, 北京 100049
针对海洋光谱成像技术对于宽视场(FOV)、大幅宽、高通量的需求，提出了一种基于像平面干涉技术的新型宽视场干涉光谱成像仪，研究了像平面干涉技术的原理，提出了相应的干涉方案并推导了系统的光程差公式，制定了详细的参数指标并根据相应参数设计优化了光学系统。光学系统前置镜和中继镜分别采用双高斯和Dyson 结构，视场为35.5o ，幅宽为320 km，系统F 数为4，焦距为100 mm，在400~900 nm 的谱段范围内，平均信噪比(SNR)大于100，在奈奎斯特空间频率为32 lp/mm 处，调制传递函数(MTF)大于0.5，各项指标满足要求。
光学设计 干涉光谱成像技术 海洋光谱 像平面干涉技术 宽视场
