快照式干涉成像光谱仪通过微透镜阵列多重成像与多级微反射镜相位调制的光场耦合,实现动态场景图像光谱的同时探测。多级微反射镜的基片加工精度及膜层表面应力会导致阶梯面产生弯曲形变,从而影响光谱与成像的质量。分析了多级微反射镜阶梯面弯曲形变的面形误差特性,建立了阶梯面形误差的光场传输模型。计算结果表明,不同的阶梯面形误差分布情况会引起各视场干涉像点阵列不同的强度改变,并导致复原光谱中出现不同的噪声分布特征。阶梯面形误差会在不同成像视场的复原光谱中引入相位误差,并对相干像点的强度分布进行调制。重建光谱误差随着两个多级微反射镜阶梯矢高绝对值的增加单调递增,通过该关系便可以由阶梯矢高实测值对系统性能进行评估,并为器件制作提供理论指导。

快照傅里叶变换成像光谱仪通过微透镜阵列的多重成像与微反射镜阵列的分布式相位调制实现图谱信息的实时获取。由于阵列器件制作精度的限制,微透镜阵列与微反射镜阵列各单元之间的结构参数会存在不同程度的偏差,从而影响系统的性能。微透镜阵列各透镜单元之间结构参数的偏差可以等效为焦距的非均匀性,微反射镜阵列各阶梯单元之间的差别主要体现在阶梯步长的非均匀性上。本文根据微透镜阵列与微反射镜阵列对光场的相位调制特性,建立了非均匀误差的光场传输模型。采用Monte Carlo方法分别对微透镜阵列的焦距非均匀性和微反射镜阵列的步长非均匀性进行误差合成,统计分析表明相对光谱误差量随着焦距标准差及步长标准差的增加而单调递增。针对步长非均匀误差提出了一种离散光谱相位补偿的光谱校正方法,该方法有效降低了微反射镜阵列的制作精度要求,提高了复原光谱的质量。

为了明确像场调制傅里叶变换成像光谱仪的工作机理,通过分析多级微反射镜对成像光场的相位调制特性,建立了像场调制干涉成像的理论模型。数值计算结果表明,通过对获得的干涉图像数据立方体进行图像剪切与图像拼接,可以重构目标场景的全景图像;通过对剪切后的干涉图像单元进行条纹拼接与光谱解调,可以复原场景中各目标物点的光谱信息。为了验证该仪器的工作原理,利用研制的样机进行了目标场景的干涉成像扫描实验,获取了场景目标的干涉图像数据立方体。通过对各帧干涉图像进行边缘检测与特征配准,实现了干涉图像单元的剪切与全景图像的拼接。同时,通过对干涉图像单元进行条纹拼接、基线校正、寻址切趾与离散傅里叶变换,获得了特征目标的复原光谱,并通过非均匀采样校正与经验模态分解对光谱进行优化,提高了复原光谱的性能。

为了实时探测运动场景、迅变目标的图像与光谱,提出了一种微小型快照式傅里叶变换成像光谱仪,利用多级微反射镜对微透镜阵列形成的多重像场进行分布式相位调制,实现了干涉图谱信息的实时获取。根据微透镜阵列与多级微反射镜对光场的相位调制特性,建立了多重干涉成像的理论模型,计算表明,不同视场的干涉像点位于探测平面的不同区域,但大视场情况下相邻通道之间的干涉图像单元会发生串扰,并导致复原光谱失真。分析表明,为了抑制相邻干涉成像通道间发生串扰,视场角应控制在微透镜阵列和多级微反射镜的衍射与离焦效应所限定的极限视场角之内。同时,视场角还会引入相位误差,并导致归一化光谱误差随视场角的增大而单调递增。根据归一化光谱误差关系曲面可以对系统的视场角进行合理的设计,从而实现对目标场景中特定区域的有效探测。

在利用空间调制傅里叶变换光谱仪对远距离目标进行光谱遥测时,大气湍流扰动引起的入射光场的波前畸变会影响干涉图像和复原光谱的质量。根据大气湍流扰动对光场的相位调制作用,建立了大气湍流的随机相位模型与光场在大气中的分步传输模型,并对大气湍流扰动作用下的干涉图像与复原光谱进行了数值计算,结果显示:大气湍流会导致干涉图像的背景产生低频的强度起伏,并致使复原光谱在低频区域出现伴频噪声。采用统计实验的方法对归一化光谱误差与望远系统入瞳放大率、大气相干长度之间的关系进行统计分析。结果表明:归一化光谱误差的统计均值与望远系统入瞳放大率为准线性正相关,与大气相干长度为非线性负相关。依据归一化光谱误差的统计分析结果便可以根据外场环境的大气相干长度,合理地设计望远系统的入瞳放大率,从而实现对目标光谱的有效探测。

为进一步提高红光微型发光二极管(LED)阵列器件的能量利用效率,对倒装AlGaInP LED阵列器件的光电性能进行研究。首先,测试对比了垂直型和倒装型AlGaInP LED两种芯片结构的出光性能,表明倒装型LED具有更高的出光功率。其次,建立了倒装型LED阵列出光功率模型,计算得到了出光功率与环境温度、基底热阻的关系:随基底热阻增大、环境温度升高,AlGaInP LED阵列器件的出光功率逐渐降低,出光饱和处对应的注入电流前移,光电性能逐渐下降。然后,采用转印法制备了6×6倒装AlGaInP LED阵列,测试结果表明,理论与实测结果较为一致。最后,利用有限元软件计算分析了Cu和聚二甲基硅氧烷(PDMS)这两种常见基底的热阻随环境、结构变化的数值关系。结果显示:Cu基底的散热较为均匀,优化基底结构或增加空气对流速率,对Cu基底热阻值的改变相对较小;PDMS材料的散热均匀性相对较差,通过优化基底结构、增大空气对流速率可以有效降低基底热阻,改善微型LED阵列器件的光电性能。

为了进一步实现傅里叶变换光谱仪的微小型化,在基于多级微反射镜的傅里叶变换光谱仪结构中引入微透镜阵列,利用微透镜阵列对由多级微反射镜调制的各级次的干涉光场单元进行同步收集。光场相位采用空间调制的方式,因此系统的波前像差会导致各级次干涉光场单元的子波前产生不同程度的畸变。建立含有波前像差的光场与多级微反射镜和微透镜阵列相互作用的标量衍射理论模型,计算表明波前像差会导致各级次干涉像点的强度产生不同程度的衰减,同时在复原光谱中引入低频噪声。通过分析发现,干涉像点强度的衰减是各干涉光场单元子波前像差的斯特列尔比调制的结果,且复原光谱中的低频噪声主要源于斯特列尔比的傅里叶谱。根据波前像差对干涉图像的调制特点,提出了一种利用波前像差的斯特列尔比对干涉光强进行修正的方法,计算表明该方法可以使复原光谱的失真得到有效改善。

提出了一种基于静态干涉系统的中长波红外双谱段时空联合调制傅里叶变换成像光谱仪(FTIS), 分别对前置望远系统及后置成像系统进行了设计。根据像差理论, 通过添加约束的方式计算了反射式前置望远系统的初始结构, 通过光学设计软件优化, 矫正了系统中倾斜分束器和补偿器带来的大数量级像散和彗差；在中波和长波双谱段范围内, 前置系统的调制传递函数(MTF)均接近衍射极限。该光谱仪的两个后置成像系统均采用透射式结构, 点列图结果显示, 后置系统成像像斑均方根(RMS)值在双谱段范围均小于7.0 μm。将前置望远系统和后置成像系统进行对接, 最终得到了视场角为1.5°, 中波通道F数为4, 长波通道F数为2的整体光学系统。在双谱段范围内, 整体系统的点列图RMS值小于10.7 μm, MTF在探测器的特征频率17 lp/mm处大于0.5, 具有良好的成像效果。

为了进一步实现傅里叶变换红外光谱仪的微小型化，在基于多级微反射镜的傅里叶变换红外光谱仪结构中引入空间光调制器与点探测器。利用多级微反射镜对入射光场进行相位调制，同时利用空间光调制器对各干涉级次进行分布式测量。将两个多级微反射镜作为两个相位衍射屏并将空间光调制器作为振幅衍射屏，分析光波与每一个衍射屏的作用，发现干涉光场受到空间光调制器和多级微反射镜边缘衍射光场的调制。多级微反射镜边缘对入射光的截止产生了衍射效应，为了抑制该衍射效应对系统的影响，提出了一种扩展多级微反射镜阶梯级数的方法。该方法通过扩大干涉区域，避免了边缘衍射效应对内部有效干涉级次的影响。计算表明，该方法可以消除干涉图序列的失真，有效实现信号光谱复原。

由于系统装调与器件定位精度的限制，空间调制傅里叶变换光谱仪中的两个多级微反射镜在对准过程中会产生相对位置的平移和旋转。为了明确对准误差对系统产生的影响，利用线性系统理论与标量衍射理论分别建立了平移误差与旋转误差对应的干涉图像与复原光谱的模型。通过对计算结果的分析，平移误差与旋转误差均会对边缘的干涉图元进行剪裁，从而在复原光谱中引入伴线，带来光谱噪声。根据平移误差与旋转误差对干涉图像的作用特点，提出一种对干涉图像进行区域补偿的方法，通过扩展多级微反射镜的阶梯级数扩大干涉区域，然后利用干涉图像内部有效的干涉图元进行光谱反演；计算表明该方法可以有效抑制对准误差给系统带来的影响，从而降低多级微反射镜的定位精度要求。