1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京100049
3 许健民气象卫星创新中心, 北京 100081
常规成像光谱仪一般变倍比较低，不利于大视场长狭缝多通道光学系统的扩展应用，此外，空间遥感中紫外波段的辐射能量较低，需要成像光谱仪具有更小的F数。针对高光谱分辨率成像光谱仪小F数的探测需求，本文设计了一种具有高变倍的高光谱分辨率Offner紫外成像光谱仪。该成像光谱仪的后置分光系统采用了具有轻小型特点的改进型Offner结构。结合成像光谱仪对变倍比和小F数的需求，通过理论推导得到Offner初始结构参数。在像面前插入一块弯月透镜，增加系统的优化自由度，进而提升系统的成像质量。最终得到的成像光谱仪工作在270~300 nm波段时，具有40 mm的长狭缝，光谱分辨率优于0.6 nm，系统变倍比小于0.22，F数小于2，在截止频率为14 lp/mm 时，系统调制传递函数（MTF）均优于0.9，系统各波段各视场均方根半径（RMS）均小于12 μm。本文的研究对紫外波段高光谱探测成像光谱仪实现小F数、高变倍设计提供了一种设计方案。
光学设计 成像光谱仪 Offner系统 optical design imaging spectrometer Offner system
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
随着搭载平台技术的不断进步，对成像光谱系统的尺寸提出了更高的要求，轻量化、小型化成为成像光谱仪的重要发展方向。针对上述问题，本文设计了一种具有轻小型化特点的自准直型短波红外高光谱成像系统。通过对系统矢量形式的理论推导，得到满足高光谱分辨率、小尺寸要求的自准直系统的初始结构，并逐步进行优化。同时，在狭缝处引入一块平面反射镜，对望远系统进行折叠，避免狭缝与探测器干涉，并进一步压缩系统的尺寸。最终设计的成像光谱仪工作波段为1610~1640 nm，F数优于3，在奈奎斯特频率为 20 lp/mm 时，调制传递函数（MTF）均优于0.8，全视场均方根半径（RMS）均小于7 μm，光谱分辨率均优于0.1 nm。光学系统尺寸优于460 mm×150 mm×150 mm。本文研究为短波红外波段高光谱探测成像光谱仪实现轻量化、小型化设计提供了一定的理论基础。
光学设计 成像光谱仪 自准直 轻小型
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
3 中国科学院微小卫星创新研究院，上海 201200
为了实现差分吸收激光雷达对臭氧浓度和气溶胶的同时探测，对常见的三通道分光光谱仪进行改进优化。确定光谱仪初始结构后，使用光栅方程对四通道的摆放位置进行计算分析。使用球面镜和全息光栅，通过添加距离约束，将四个光谱通道控制在合理的机械结构范围内，最终设计了一款四通道分光、低F数的光谱仪系统。该系统使用圆阵列转线列光纤，提高了接收系统对大气回波信号的接收强度，实现了对266，289，316，532 nm回波信号强度的精确探测。设计结果表明，光谱仪系统可连接0.12数值孔径的线列光纤，在266，289，316 nm光谱分辨力优于0.5 nm，在532 nm处光谱分辨力优于1 nm，满足激光雷达探测光谱分辨率的要求。分析了光谱仪出射狭缝的曲率半径和圆心位置。该设计可实现激光雷达对气溶胶和臭氧的同时探测，简化了系统结构。
激光雷达 臭氧 紫外 光栅 光谱仪和光谱仪器 激光与光电子学进展
2024, 61(4): 0411012
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
对传统中阶梯光栅光谱仪级次重叠的问题进行分析，采用声光可谐调滤波器（AOTF）结合中阶梯光栅的方法实现光谱级次分离，研究并设计了小型、灵敏、超高光谱分辨率的光学系统结构。利用CODEV软件对成像光谱仪的初始结构进行优化，得到一种结合AOTF与中阶梯光栅的小型化超高光谱分辨率成像光谱仪。与交叉色散方案相比，中阶梯光栅与AOTF结合的技术将得到更高的信噪比，并弥补了中阶梯光栅体积大、质量重的缺陷，工作波段在2320~4250 nm时，系统F数小于1.8，并获得优于0.15 nm的超高光谱分辨率，在奈奎斯特频率为17 lp/mm条件下整体调制传递函数（MTF）>0.7，各视场全波段弥散斑均方根（RMS）半径<11 μm。该成像光谱仪提供了一种大气微量成分高精度、高灵敏度测量的方案，与其他的高分辨率红外光谱仪相比，其更容易安装在空间资源有限的行星或星际航天器上。
光学设计 成像光谱仪 AOTF 中阶梯光栅 光学学报
2023, 43(19): 1922001
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
3 许健民气象卫星创新中心, 北京100081
针对超光谱分辨率成像光谱仪多通道探测需求，本文设计了一种超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪。该成像光谱仪望远系统采用视场离轴的离轴三反结构，分光系统采用了具有小型轻量化优点的改进型Offner结构。通过对Offner光谱仪结构的理论推导，得出了满足超光谱分辨要求的双通道共光路Offner初始结构参数。为了提高成像光谱仪的成像质量，在Offner结构中引入弯月透镜，并对系统进行逐步优化。最终得到的双通道共光路成像光谱仪工作波段为280~300 nm和370~400 nm，在奈奎斯特频率为27.8 lp/mm时，双通道的调制传递函数（MTF）均优于0.8，全视场均方根半径（RMS）均小于9 μm，光谱分辨率均优于0.1 nm。本文研究对天基超光谱探测成像光谱仪小型化、集成化设计具有重要意义。
Offner 光谱成像系统 光学设计 超光谱分辨率 Offner spectral imaging system optical design hyperspectral resolution
1 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
紫外探测技术已广泛应用于人类生产生活的各个方面，宽谱段紫外成像仪系统的研究具有重要意义。本文通过推导色差理论公式，提出了单一透镜材料的宽谱段紫外成像仪光学系统色差校正方案。结合高灵敏度大动态紫外成像探测器的性能指标要求，设计了仅一种透镜材料且所有透镜均为球面的210~400 nm宽谱段紫外成像仪光学系统，并运用光学设计软件CODE V进行系统优化及像质评价。结果表明：在奈奎斯特频率40 lp/mm下，全视场全波段系统的调制传递函数优于0.6，系统点列图RMS<7.8 μm，具有良好的成像质量。该系统不含非球面等光学元件，不仅易于加工装调，而且降低了研制成本，该方法将为宽谱段紫外成像光谱仪的设计奠定技术基础。
紫外成像仪 宽谱段 光学设计 色差校正 ultraviolet imager wide spectrum optical design chromatic correction
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
2 中国科学院大学，北京 100049
国内外研究的Dyson棱镜成像光谱仪有自身像差较小、高透过率等优点。对Dyson棱镜式成像光谱仪存在的色散均匀性进行改进，通过分析不同材料棱镜的色散规律，选用了熔融石英及CaF2材料构成的消色差棱镜组，并采用超环反射面及透镜组校正其余像差。优化得到一种长度为80 mm的狭缝、色散较为均匀的Dyson棱镜成像光谱仪，同时采用双反物镜结构及拼接狭缝的手段达到总体200 km的幅宽要求。结果表明，在400~2500 nm波段范围及狭缝长度为80 mm的条件下，光谱分辨率为10 nm，光学系统设计值在25 lp/mm截止频率下，调制传递函数大于0.6。通过各波长色散后的像面光谱位置可以得出，在400~1200 nm范围内，色散曲线与拟合直线之间的拟合精度由单材料棱镜时的0.88提高到两种材料棱镜时的0.94，色散均匀性也得到了极大的改善。
光学设计 成像光谱仪 消色差棱镜 Dyson棱镜 光学学报
2022, 42(13): 1322002
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学, 北京 100049
为提高仪器整机性能及遥感数据反演质量,分析了仪器光学系统膜系对偏振的影响,利用氙灯、准直系统、布儒斯特起偏器和紫外光谱仪构建了一套偏振响应测试系统,测量了仪器在200~320 nm紫外波段范围内的P光与S光的偏振响应。测试结果表明,仪器在P偏振光与S偏振光照射下呈现出不同的偏振响应,偏振态由S变化到P,紫外光谱仪响应峰值波长位置由290 nm变化到275 nm,双片漫透射板相比单片漫透射板,紫外光谱仪能量减少40%~75%;增加单片与双片漫透射板后,紫外光谱仪的偏振响应值均在265 nm波长处达到最大,其中双片漫透射板使紫外光谱仪偏振响应更接近单位值1,缩小了不同偏振态光的偏振响应差异,更适用于同步辐射光源定标需求。
测量 空间紫外遥感 偏振响应 漫透射板 同步辐射
1 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所， 吉林 长春 130033
2 中国科学院大学， 北京 100049
为了考察光电倍增管的性能，以使其满足空间遥感仪器在轨应用需求，利用氘灯、真空紫外单色仪、光电倍增管等构建了一套基于标准真空光电管的量子效率定标系统，依据光电倍增管的阴极量子效率测量原理，将光电倍增管改造成无电子束倍增的光电管，实现了由标准真空光电管到光电管R2078的标准传递; 并在此基础上，在国内首次实现了150～300 nm紫外-真空紫外波段光电管量子效率的直接测量。测量结果表明：由于光电管R2078的窗口材料为融石英，其在155 nm处的透过率最小，因此在155 nm处获取的量子效率最小，在230 nm波长处量子效率最大。最后对测量结果进行不确定度分析与估计，得到总的合成不确定度为3.4%。
探测器 紫外-真空紫外 定标 量子效率 光电倍增管 不确定度
