为了实现傅立叶变换光谱仪的微型化与轻量化，设计了轻型栅条分束器结构，代替传统的平行平板分束器，分析了轻型栅条分束器的栅棱对光谱复原的影响，提出了制作误差容限。对微型傅立叶变换光谱仪进行了建模仿真，得到了轻型栅条分束器的最佳结构。通过系统仿真进行光谱反演，得到了复原光谱，并计算了轻型栅条分束器引入的光谱误差。完成了原理样机的搭建与调试，得到了实际系统的复原光谱，证明了微型化系统的可行性。该微型化系统相对于传统傅立叶变换光谱仪，具有体积小，稳定性好的优点，可用于在线监测。

为了满足红外探测器件集成化和对红外宽光谱范围吸收的需求, 设计了一种工作在长波红外波段(8~14 μm)的超宽带、高吸收、极化不敏感的超材料吸收器。通过在金属-介质-金属三层异质的超材料吸收器结构的顶部金属周围镶嵌一层介质形成超表面, 以增加谐振强度和吸收带宽。在8~13.6 μm的带宽范围内, 该结构有超过90%的平均吸收率, 覆盖了大部分长波红外大气窗口波段, 对红外探测领域有着重要意义。研究结果表明: 镶嵌的金属-介质组成的介质波导模式和谐振腔模式的结合以及传播型表面等离激元模式的激发是形成宽带高吸收的主要原因, 并且谐振模式的谐振波长可以通过相关参数来进行调控。本文的研究结果为可调谐宽带长波红外吸收材料的设计提供参考, 该设计方法可推广到中波红外波段、甚至长波红外或其它波段。

为满足中波红外高空间分辨率偏振干涉测量需求, 本文提出一种基于微型静态干涉原理的中波红外线偏振干涉成像系统。该系统不含狭缝, 具有信息量多, 光通量大等优点。介绍了线偏振干涉成像系统的工作原理, 采用近轴光学理论计算了初始结构参数, 进行了系统优化设计。分析了入射光分别为完全非偏振光和线偏振光时系统的透过率, 给出了系统所能探测的最小辐射强度。为了降低探测器强度的随机波动对偏振测量的影响, 采用等权重方差优化了系统的偏振测量矩阵, 并通过数值仿真验证了方法的正确性。最后, 分析了偏振片的旋转误差对偏振测量的影响, 给出了偏振探测精度为2%时的偏振片旋转公差容限。设计结果表明: 傅立叶变换型线偏振干涉成像系统成像质量良好, 在探测器的特征频率17 lp/mm处, 各视场的调制传递函数值均大于06, 满足系统的使用需求。

本文提出了一种基于多级微反射镜和栅格分束器的静态轻型傅立叶红外变换光谱仪, 通过两个多级微反射镜实现光程差的空间离散和干涉图的静态二维采样, 通过引入栅格分束器有效降低了系统的体积和重量。作为该光谱仪的核心光学器件, 多级微反射镜的阶梯高度一致性、面型平整度和结构精度是决定采样间隔、分辨率和噪声等仪器指标的主要因素。本文提出了基于MOEMS技术的厚度依次减半多层膜法, 制作了台阶高度为0625 μm, 阶梯数为32的低阶梯多级微反射镜。测得实际阶梯高度平均值为6269 nm, 表面粗糙度均方根值为172 nm。分析了阶梯高度误差对光谱复原的影响, 提出了两种阶梯高度误差校正方法, 分别为通过修正因子来减小膜厚监控误差, 和利用最小二乘余弦多项式算法对复原光谱进行校正。校正后的复原光谱误差(SCE)降低为234%, 满足系统对光谱复原的要求。最后, 将该低阶梯多级微反射镜置入光谱仪中, 得到乙腈样品的干涉图和复原光谱图。

为满足便携式投影仪的市场需求, 设计了一种基于LED微型阵列的投影系统。该系统由显示单元和投影物镜构成。采用尺寸为12 mm×9 mm的自发光LED微型阵列作为系统的显示单元, 利用光学设计软件设计了投影物镜。投影物镜采用反远距光学结构, 全视场角为80°, 焦距为8 mm, 属于强光、广角镜头。在空间频率20 lp/mm处, 该物镜的调制传递函数大于085, 畸变小于2%, 符合投影系统的设计要求。该投影系统具有体积小, 结构简单, 投影效果好, 易加工等诸多优势, 可为第三代投影技术的发展提供参考。

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。

为了在复杂及伪装的红外背景中识别出小温差目标, 本文提出了一种基于分孔径的偏振成像系统结构, 并对分孔径偏振成像系统所采用的分孔径成像系统及中继成像系统进行了设计研究。首先, 根据Stokes矢量介绍了系统的工作理论和光学结构; 其次, 在现有探测器的结构参数要求下, 计算出了光学系统的偏心量等参数, 选择硅、锗作为透镜材料。在此基础上, 确定了分孔径成像系统结构和中继成像系统结构。接着使用离轴偏心多重结构设计方法对初始结构进行了优化, 研究了将普通红外物镜转变为具有实入瞳的像方远心结构的方法; 最后, 完成了分孔径成像系统和中继成像系统的整体系统匹配。设计结果表明, 整体系统的调制传递函数在探测器奈奎斯特频率为17 lp/mm处大于06, 能够满足系统的设计要求。本文设计的结构可以对探测目标实现实时偏振成像, 且具有结构紧凑的优点。