1 同济大学 精密光学工程技术研究所 先进微结构材料教育部重点实验室，上海 200092
2 同济大学 物理科学与工程学院，上海 200092
3 上海市数字光学前沿科学研究基地，上海 200092
4 上海市全光谱高性能光学薄膜器件与应用专业技术服务平台，上海 200092
宽波段光谱成像系统(0.4~1.7 μm)在食品检测、农业生产、医学分析、刑事侦查等领域有广泛需求，光栅因其具有高色散本领和高环境稳定性的特点，成为宽波段光谱成像系统主流分光元件，但采用光栅分光的光谱成像系统存在多级次衍射光谱互相串扰问题，严重影响仪器的探测能力，为了得到准确的光谱信息，需对其进行有效的抑制。文中利用Tracepro光学分析软件对宽波段光谱成像系统的多级次衍射杂散光进行仿真分析，发展了利用分区域滤光片和线性渐变带通滤光片来抑制多级衍射杂散光的方法，并分析比较了它们对多级衍射杂散光的抑制效果。仿真分析结果表明：线性渐变带通滤光片能够有效地抑制多级次衍射带来的杂散光，光谱成像系统杂散光系数降低至10−4量级，满足宽波段光谱成像系统对杂散光抑制要求。
宽波段光谱成像系统 光栅多级次衍射 滤光片 杂散光系数 broad-band spectral imaging system grating multi-order diffraction filter stray light coefficient 红外与激光工程
2023, 52(5): 20220645
南阳理工学院 信息工程学院, 河南 南阳 473004
为解决棱镜分光式光谱成像系统存在的直视性差、分光线性度低、固有谱线弯曲较大的问题, 提出了基于双阿米西棱镜的光谱成像系统。通过矢量折射定律, 运用MATLAB编程实现棱镜谱线弯曲的精确计算, 并进行了仿真验证。在研究双阿米西棱镜谱线弯曲特性的基础上, 搭建直视型消谱线弯曲双阿米西棱镜作为分光元件, 设计得到的光谱成像系统工作波段为400~800nm, 全波段光谱分辨率高于7nm。在中心波长600nm处, 中心视场主光线经双阿米西棱镜后的出射光线与光轴夹角小于0.31 °, 全波段谱线弯曲最大值小于2.557μm。系统满足直视性和消谱线弯曲的要求, 方法对消谱线弯曲棱镜光谱成像系统的设计具有普适性的指导意义。
应用光学 双阿米西棱镜 谱线弯曲 光谱成像系统 矢量折射定律 applied optics double Amici prism smile spectral imaging system vector refraction law
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 谭奋利 1,2,3曾晨欣 1,2,3冯安伟 1,2,3赵世家 1,2,3季轶群 1,2,3,*
1 苏州大学光电科学与工程学院, 江苏 苏州 215006
2 苏州大学江苏省先进光学制造技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
3 苏州大学教育部现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
快照式光谱成像系统可实时获取运动目标的光谱图像,在动态目标跟踪和识别等领域有着迫切的应用需求。快照式光谱成像系统的光谱分辨率与空间分辨率相互制约,针对现有快照式分光成像系统数值孔径小、难以同时实现高光谱分辨率和高空间分辨率的问题,提出了一种基于Dyson同心结构的新型快照式分光成像系统,它具有数值孔径大、成像性能优和结构紧凑等优点;视场离轴和复杂化设计可在保持光学成像性能的同时,增大机械装调空间,具有很好的工程可实施性。优化设计得到的新型快照式分光成像系统的数值孔径达到了0.3,光谱分辨率优于0.54 nm,空间采样点数为112×24。这种高光谱分辨率和高空间分辨率的快照式分光成像系统可为研究对大视场内快速运动目标进行精确探测识别的快照式光谱成像系统提供重要的理论基础。
光学设计 快照式分光成像系统 Dyson同心结构 高光谱分辨率 高空间分辨率 红外与激光工程
2021, 50(11): 20210099
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
为了对作物进行更灵敏、更高效的生长监测，国内外相继设计了各类高光谱分辨率的光谱仪用来探测叶绿素荧光效率。本文对传统Offner光谱仪系统进行改进，得到了光谱分辨率更高的整体结构。光学系统选用双反望远系统，光谱仪部分采用高刻线密度反射型凸面光栅，实现更高的光谱分辨率。在此基础上，添加放大透镜以满足长狭缝需求，同时得到了一种狭缝-像面在光栅同一侧的Offner结构。利用codeV软件对望远系统和光谱仪部分的初始结构进行优化。结果表明，工作在670~780 nm波段时，光谱分辨率为0.3 nm，在17 lp/mm截止频率下整体调制传递函数MTF>0.75，各视场条件下弥散斑均方根半径RMS<15 μm。由此可知，该方法可以满足作物生长叶绿素监测领域的高精度、实时性要求。
光学设计 Offner光谱成像系统 超高光谱分辨率 optical design Offner spectral imaging system ultra-high spectral resolution 王飞 1,2,3,4余晓畅 1,2,3,4罗青伶 5周晨阳 5虞益挺 1,2,3,4,6,*
1 西北工业大学深圳研究院, 广东 深圳 518057
2 西北工业大学机电学院, 陕西 西安 710072
3 西北工业大学空天微纳系统教育部重点实验室, 陕西 西安710072
4 西北工业大学陕西省微纳机电系统重点实验室, 陕西 西安710072
5 西北工业大学教育实验学院, 陕西 西安710072
6 西北工业大学宁波研究院, 浙江 宁波 315103
片上光谱成像系统具有结构紧凑、轻量便携等诸多优点,可灵活搭载于无人机、立方星等平台,具有广阔的应用前景。本文综述了近年来片上光谱成像系统的研究进展及应用情况,梳理了片上光谱成像系统的分光原理、集成方式,展示了片上光谱成像系统在生物医疗、环境监测、**装备和智能消费电子等领域的应用前景,揭示了片上光谱成像系统目前所面临的挑战和未来发展方向。
激光与光电子学进展
2021, 58(20): 2000002
1 长春理工大学光电工程学院, 吉林 长春 130022
2 吉林省光电测控仪器工程技术研究中心, 吉林 长春 130022
针对数字可调光源输出能量较低的问题,提出一种改进型Offner凸面光栅光谱辐射定标光源光学系统的设计方法。基于光线追迹原理,理论推导Offner型光谱成像结构狭缝和像散的关系,利用双柱面透镜对Offner型光谱成像系统大狭缝下的残余像散进行补偿。使用所提方法设计了光谱范围为500~800 nm,狭缝长度为0.4 mm的传统Offner光谱成像系统和狭缝长度为8 mm改进型Offner光谱成像系统。结果表明:改进型Offner光谱成像系统具有良好的成像质量,全视场点列图方均根(RMS)半径小于8.1 μm;系统沿Y方向RMS半径小于6.7 μm,在一个像元尺寸内;谱线弯曲为单像元尺寸6.2%、色畸变为单像元尺寸5.8%,消除了谱线重叠和谱线偏移现象。设计方法对提高遥感仪器的光谱辐射定标精度具有一定的研究意义和工程价值。
光学设计 光谱辐射定标 Offner光谱成像系统 消像散 凸面光栅
