研究了一种在近红外波段具备良好成像能力的双凹面光栅成像光谱仪系统。对这种串联光栅系统中存在的主要像差像散和彗差进行了分析, 并计算获得了该系统的最优成像条件: 两个光栅和柱面透镜的最优摆放位置。这种改进型的Wadsworth系统可以在全波段近似消除彗差和像散, 具备良好的光学成像质量, 并仅通过刻线密度较低的光栅即可实现高光谱分辨率。设计了一个工作于780~1 100 nm波段的成像光谱仪系统, 其光谱采样达到0.92 nm/pixel, 全视场调制传递函数在17 lp/mm的奈奎斯特频率下高于0.45, 系统像差得到充分校正, 且加工和装调公差比较宽松。研究结果分析证明了设计理论的正确性。

研究了一种星载太阳同步轨道远紫外成像光谱仪,以满足对低层大气驱动力与电离层之间耦合作用探测的科学需求。仪器拟采用双侧向临边探测方法,对电离层中在远紫外波段产生昼夜不同特征辐射的各种粒子的光谱辐射强度进行探测,进而定量获取低层大气驱动力的影响。根据探测机理,进行了仪器系统观测方案设计、仪器性能参数与系统设计、原理样机系统集成、性能测试和地面辐射定标等研究,该研究为我国未来电离层远紫外成像光谱探测提供一种思路。

研究了一种在1.0~2.5 μm短波红外波段上可用于机载精准农业观测的成像光谱仪光学系统。研究分析了用于精准农业探测所需的成像光谱仪科学性能参数, 着重改进了Dyson成像光谱仪系统并获得了完善的消像散条件, 使得其各组成部分在沿光轴方向和垂直光轴方向均具备足够的空间, 确保了狭缝、探测器和光学镜片的光机结构放置。设计成像光谱仪具备良好光学性能, 光学系统F数为1.5, 视场28°, 狭缝长度25 mm, 光谱分辨率12.7 nm, 空间分辨率1 mrad, 系统像差得到充分校正, 公差比较宽松。该系统的研究将为精准农业遥感应用提供一种思路。

本文主要设计一种新型的可用于机载的紫外-可见-近红外高光谱成像系统，从而为沿海水色环境与污染观测提供一种有效的观测仪器。首先,根据探测目标特点确定了仪器系统的性能设计参数，选择了Dyson成像光谱系统来满足系统在宽谱段上的高信噪比和高光学性能; 但Dyson成像光谱系统的结构过于紧凑，因此对Dyson成像光谱系统进行了研究，调整了狭缝、像面和光学元件的位置，使它们在轴向和垂直轴向上均具备足够的间隔，并在这种大空气间隔下分析了系统的完善消像差条件。通过光程分析和弯月透镜的加入，使改进型Dyson系统在0.278的数值孔径和320~1 000 nm的宽波段上具备良好的成像结果，全视场全波段MTF值在探测器奈奎斯特频率下(38.5 lp/mm)高于0.5，研制原理样机的光谱分辨率为3.375 nm，满足设计要求。该系统可为沿海水色环境的高光谱观测提供良好的工程应用基础。

根据水下环境主要监测要素的特征光谱分析了可采用的观测方法, 并給出对应的高光谱成像仪光学系统性能参数; 分别设计了望远镜和成像光谱系统并进行匹配, 望远镜以双高斯透射式系统为原型, 利用较少的光学材料种类完成像方远心优化; 成像光谱系统基于Dyson系统, 通过光程分析与透镜的添加实现了良好的光学性能, 并保证了工程的可实施性.最终设计系统在350~700 nm波段上实现了视场角为28°、F数为3、光谱分辨率为3.5 nm、系统空间分辨率为1 mrad的良好光学性能, 设计搭建的原理样机性能测试验证了设计理论的正确性.

为解决传统Dyson成像光谱系统结构过于紧凑而难于实际应用的缺点, 通过减薄半球透镜厚度和偏置狭缝位置的办法, 将狭缝、像面与半球透镜之间拉开了足够的轴上距离和垂轴距离; 结合光程进行分析, 获得了改进后Dyson系统的消像散条件; 在半球透镜和凹面光栅之间增加两个球面透镜, 对轴上距离带来的额外球差和色差进行校正.结合改进的Dyson成像光谱仪和Schwarzschild双反射镜系统, 设计了宽波段、小F数高光谱成像仪光学系统.对一工作波段为320~1 000 nm的实例设计结果进行分析可知, F数为1.8的全系统像差得到充分校正, 全视场全波段调制传递函数值在0.5以上, 光谱分辨率达到3.6 nm.该系统可用于沿海环境的高光谱观测.

为了有效提高星载激光雷达后继光学系统中滤波器组件结构热保温性能, 保证其核心部件F-P标准具利用材料的热光特性进行中心波长调谐的精度, 对滤波器组件进行了初步热结构设计。利用有限元软件Ansys Workbench对滤波器组件初始结构进行稳态热分析, 确定加热功率范围, 再对热结构中的关键参数进行基于灵敏度分析的多目标优化, 并确定各参数的最优值。优化分析结果表明: 标准具达到稳态设计工作温度48℃时, 加热功率为705 W, 节省功率消耗113％, 标准具表面节点最大温差由原来的0253℃减少为005℃, 满足设计技术指标要求。

在红外光电探测系统中, 一般都是弱光信号的检测和测量, 为了实现光能量的全接收, 需要对能量接收系统的光斑大小进行测量, 故光斑大小的测试对于红外光电探测系统而言显得尤为重要。文章提出一种测试红外光斑大小的方法。首先, 针对样品参数搭建光学平台, 并对光源发射光信号进行辐射调制,运用锁相放大技术读取探测器探测到的有效信号, 并采用三维扫描技术测量真实的光斑大小以及能量分布情况。测试结果表明有效靶面未能对光斑能量全接收。

温度变化会影响紫外镜头各镜面面形和镜片间隔的变化, 采用了光机热集成分析方法研究温度对紫外镜头成像质量的影响。论述光机热集成分析的基本流程和关键技术, 采用Zernike多项式作为结构分析与光学分析之间的接口工具, 在紫外镜头光学系统设计和机械结构设计的基础上, 建立了紫外镜头的热-结构分析模型, 得到各镜面面形和镜片间隔的变化结果, 并将结果耦合到光学设计软件中进行像质分析。分析结果表明, 在镜头的工作范围内, 镜头的调制传递函数在12 lp/mm处均在0.7左右, 能满足高光谱成像光谱仪的使用要求, 同时也为光谱仪最后整机分析提供了参考。

为了观测全超导托卡马克装置(EAST) 中充气成像系统(gas puff imaging, GPI) 的谱线强度, 提出一套GPI光学观察系统。以匹兹伐型物镜为初始结构进行优化, 使系统像差控制在1/4 λ内, 在观察波长656.2 nm/587.6nm下, 设计系统光学传递函数在16 lp/mm下达到了0.76。对温度参数在20°~250°范围内作多重结构分析, 选取的透镜材料热膨胀系数非常相近, 光学频率在16 lp/mm时, 子午方向的光学传递函数几乎无变化, 而弧氏方向的光学传递函数由0.82变化到了0.69。根据光学观察窗口所在物理环境, 对其进行静力学、热力学仿真研究, 可以看到石英窗口的形变量达到了1/5 λ, 将该形变代入光学设计中进行容差分析, 系统的MTF≥0.5。通过快速相机捕捉到的系统成像光谱画面图显示, 该系统能清晰地观察物面的谱线强度分布以及变化。