1 苏州大学光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室 & 教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
3 北京空间机电研究所，北京 100094
根据静止轨道特点，分析设计覆盖近紫外至长波红外波段的成像光谱仪光学系统，将0.3~12.5 μm的光学全谱段细分为5个子谱段并集成于光学系统，每个子谱段均采用4个分光系统在视场内拼接实现宽幅所需的超长狭缝，狭缝总长最长达241.3 mm，通过内扫描实现400 km×400 km地面覆盖。重点研究满足拼接要求的紧凑型长狭缝分光系统，指出其实现高保真分光成像需满足低畸变、低杂散、高信噪比、均匀光谱响应等条件。据此，设计基于凸面闪耀光栅的Offner型和Wynne-Offner型高保真分光系统，并研制各个子谱段的原理样机。给出全谱段长狭缝和凸面闪耀光栅两种核心元件的研制结果，单条狭缝最长达61.44 mm，5个谱段的光栅槽密度范围为8.8~312.1 lp/mm，峰值效率均在70%以上，最高达86.4%。以可见近红外和长波红外两个谱段为例，给出分光系统装调和测试过程，结果表明所研制的分光系统具有高保真性能，各项指标均满足要求。
光学设计 成像光谱仪 全谱段 高保真 静止轨道 凸面闪耀光栅
红外与激光工程
2022, 51(6): 20210617
1 苏州大学 光电科学与工程学院 教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
2 苏州大学 光电科学与工程学院 江苏省先进光学制造技术重点实验室，江苏 苏州 215006
3 苏州大学医学部，江苏 苏州 215006
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。
可视穿刺针 反远系统 视向角 调制传递函数 visual puncture needle retrofocus system viewing angle modulation transfer function
1 苏州大学光电科学与工程学院教育部现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
2 苏州大学光电科学与工程学院江苏省先进光学制造技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
3 北京空间机电研究所, 北京 100190
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。
光学设计 光谱成像仪 分区光栅 衍射杂散光 光阑 光学学报
2021, 41(18): 1822003
1 苏州大学光电科学与工程学院, 江苏 苏州 215006
2 教育部现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
设计和研制了用于静止轨道高光谱遥感卫星的中波红外成像光谱仪分光成像系统。根据静止轨道特点分析光学系统指标参数,指出分光成像系统具有狭缝长、相对孔径小和体积紧凑的特点。设计了波长为3~5 μm,狭缝拼接长度为49 mm,光谱采样间隔为50 nm,系统F数为5.4的双狭缝Offner型分光成像系统。采用整机制冷提高系统灵敏度,分析结果表明,工作温度低于160 K时,系统噪声等效温差(NETD)可降低至0.2 K,并根据制冷温度进行消热差设计。根据光学设计结果,研制材料为全铝合金的分光成像系统原理样机,自研的凸面闪耀衍射光栅的峰值效率高达86.4%。利用可见光和近红外光的高级衍射谱测试常温下样机性能,结果表明,研制的样机光谱成像质量优、光谱畸变小,各项指标均满足设计要求。
光学设计 成像光谱仪 中波红外 凸面闪耀光栅 光学学报
2021, 41(11): 1122001
杨拓拓 1,2,3陈新华 1,2,3,*赵知诚 1,2,3朱嘉诚 1,2,3沈为民 1,2,3
1 苏州大学 光电科学与工程学院，江苏 苏州 215006
2 教育部现代光学技术重点实验室，江苏 苏州 215006
3 江苏省先进光学制造技术重点实验室，江苏 苏州 215006
Offner分光成像系统由凸面光栅和两个凹面反射镜组成。光学结构上同心的特点使其具有相对孔径大、畸变小、结构紧凑等优点。为了降低Offner分光成像系统的装调难度，提高装调效率，本文基于同心特点和球面自准直原理，研究了Offner分光成像系统的快速装调方法。首先搭建球面自准直装置，当该装置生成的点光源位于球面反射镜曲率中心处时，其反射像点和点光源重合。通过检测反射像点和点光源之间的位置偏差，可判定球面反射镜曲率中心位置的偏离程度。利用该装置定位主镜、凸面光栅和三镜的曲率中心位置，完成Offner分光成像系统的装调。实验结果表明，两块离轴凹面反射镜的曲率中心间距误差可控制在10 μm以内，装调完成的分光成像系统成像性能较好，满足指标要求。与现有装调方法相比，该方法具有易于对准、装调速度快、所需设备成本低等优点。
Offner分光成像系统 同心特性 球面自准直 快速装调 Offner imaging spectrometer concentric characteristics spherical autostigmatic fast alignment
1 苏州大学光电科学与工程学院教育部现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
2 苏州大学光电科学与工程学院江苏省先进光学制造技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
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0.4~2.7 μm,其可见-近红外(VNIR)通道( 0.4~1.0 μm )和短波红外(SWIR)通道(1.0~2.7 μm) 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。
光学设计 空间探测 光谱成像仪 凸面光栅
1 苏州大学 物理与光电·能源学部 教育部现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
2 苏州大学 物理与光电·能源学部 江苏省先进光学制造技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
3 北京空间机电研究所, 北京 100076
4 航天东方红卫星有限公司, 北京100094
低成本、高性能对地遥感微纳卫星是当前研究和开发的热点, 为适应微纳卫星平台, 要求空间相机具备小型、轻量化的特点。在其体积和质量的限制下, 设计结构尽可能紧凑的长焦距大视场望远物镜是成功研制高分辨率对地遥感光学相机的关键, 研究利用同轴四反射镜系统解决这一问题的可能性。首先, 介绍无二次遮拦同轴四反射镜望远物镜的组成与工作原理; 基于近轴光学和初级像差理论, 导出几何约束条件和初级像差公式, 给出结构紧凑的长焦距同轴四反镜系统的设计思想与方法; 最后给出举例及设计结果。优化设计了全视场角1°×1°、有效焦距2 100 mm、F数为7的同轴四反射光学系统, 总长228 mm, 约为有效焦距的1/9,结构简单紧凑, 像质接近衍射极限。
光学设计 对地遥感相机 长焦距 同轴四反射望远物镜 无二次遮拦 optical design remote sensing camera long focal length on-axis four-mirror system without secondary obscuration 红外与激光工程
2019, 48(1): 0118002
陈新华 1,2,3,*赵知诚 1,2,3周正平 1,2,3马锁冬 1,2,3沈为民 1,2,3
1 苏州大学 物理与光电·能源学部, 江苏 苏州 215006
2 江苏省先进光学制造技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
3 教育部现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
为了增大成像光谱仪的视场, 提高遥感成像的作业效率, 开展了内拼接宽视场成像光谱仪的设计和研制。针对推扫成像方式, 分析了基于内拼接法的宽视场成像光谱仪的组成。利用两台Offner凸面光栅分光系统进行拼接, 研制了原理样机。在实验室中对原理样机的像元对准误差、光谱分辨率和调制传递函数进行测试并进行了室外成像实验。测试结果表明原理样机光谱维像元对准误差约为0.15个像元(波长为479 nm), 交轨方向和顺轨方向空间维像元对准误差分别为0.16个像元和0.19个像元。原理样机的光谱分辨率约为1.6 nm, Nyquist频率处的调制传递函数值约为0.2。通过原理样 机的研制和实验验证了内拼接法增加成像光谱仪视场的有效性。
成像光谱仪 内拼接 凸面光栅 Offner中继系统 imaging spectrometer inner-stitching convex grating Offner relay system
1 苏州大学物理与光电·能源学部, 江苏 苏州 215006
2 江苏省现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
随着Skysat-1卫星的成功发射，高分辨率视频相机是目前竞相开发的卫星有效载荷。为降低成本、适应小卫星平台，亟需设计与研制体积小、重量轻、易实现、能对面视场成像的长焦距光学系统。研究与设计了适于面视场成像的全视场同轴三反望远物镜，解决其固有的二次遮拦和像面引出困难等问题。由近轴几何光学理论，导出消除二次遮拦的条件和系统总长与三镜中继成像倍率的关系，讨论并得到合理的三镜中继成像倍率等参数。利用出瞳附近处的平面镜，无遮拦地引出像平面，同时用平面镜组折叠光路，减小系统总长。给出了确定初始结构参数的方法与结果，优化设计得到了有效焦距、视场角、F数分别为10 m、1.1°×1°、14.3的无二次遮拦光学系统，其总长约为有效焦距的1/8，成像质量接近衍射极限。
光学设计 星载视频相机 同轴三反望远物镜 二次遮拦
