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 中国电子科技集团有限公司第二十二研究所，山东 青岛 266107
4 许健民气象卫星创新中心，北京 100081
电离层空间环境复杂，紫外波段辐射能量微弱，如何抑制远紫外高光谱成像仪杂散光是研究远紫外电离层高光谱载荷的重要环节。依据系统技术要求，给出单超环面光栅型高光谱成像仪杂散光抑制方法，首先分析杂散光的主要来源和传播路径，利用UG软件设计消杂光结构，使用LightTools软件仿真不同视场和不同光栅衍射级次下接收面的能量响应，评估杂散光抑制效果。结果表明：视场外杂散光能量和视场内光线能量量级相差10-5~10-7，光栅非工作衍射级次光线能量和工作级次能量量级相差10-6~10-8，中心波长处光谱杂光系数为0.9975%，所提方法满足空间远紫外高光谱遥感指标要求。
杂散光 远紫外 电离层 超环面光栅 高光谱成像仪 激光与光电子学进展
2023, 60(10): 1030001
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
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，长春 130033
针对大气湍流对拉盖尔 -高斯光束的螺旋谱的影响，本文提出利用多相位屏法模拟拉盖尔 -高斯光束在大气湍流中的传输。采用傅里叶变换法模拟符合 non-Kolmogorov谱的大气随机相位屏，通过改变拓扑荷、光束波长、指数参数、折射率结构常数、湍流内尺度、外尺度等参数，对大气湍流的影响进行数值模拟。仿真结果表明，大气湍流会导致拉盖尔 -高斯光束的螺旋谱的弥散。而且，螺旋谱弥散与拓扑荷、波长、指数参数、折射率结构常数、内尺度、外尺度密切相关。
non-Kolmogorov湍流 相位屏 拉盖尔 -高斯波束 拓扑荷 non-Kolmogorov turbulence phase screen Laguerre-Gaussian beam topological charge
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033
本文设计并研制了一种实用型三谱段太阳模拟器, 其光谱匹配可同时调整3个谱段(300~700 nm, 700~900 nm, 900~1 700 nm)范围的能量, 修正后可满足三结砷化镓太阳电池的测试使用要求。本文重点阐述了三谱段太阳模拟器滤光片的设计和氙灯光谱的修正及测试, 介绍了太阳模拟器的光机结构。实验表明：三谱段太阳模拟器的光谱匹配满足三结砷化镓太阳电池各子电池的响应电流值。在有效辐照面150 mm×150 mm上, 平均辐照度可以达到2个太阳常数(2 730 W/m2), 辐照不均匀度达到±177%, 辐照不稳定度达到±083%, 为太阳电池自动分拣系统提供了可靠稳定的平台。
太阳模拟器 三谱段 光谱匹配 三结太阳电池 solar simulator triple spectrum spectral match triple junction solar cell
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
为了在特定平面上获得任意形式的辐照分布，采用了Supporting-Ellipsoid设计方法来构造自由曲面反射镜。介绍了其设计思想和设计过程，并以具体的设计实例为例构建了自由曲面光学系统。仿真结果表明，在不计反射损失的情况下，系统效率达到了97%，较传统太阳模拟器光学系统提升了3倍以上，不均匀度达到5.26%，与理想状态有一定差距，这是因为设计中兼顾了计算时间和自由曲面光滑性所造成的。
Supporting-Ellipsoid方法 自由曲面 均匀照明 Supporting-Ellipsoid method freeform surface uniform illumination
中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所，吉林 长春 130033
设计并研制了一种大面积准直型太阳模拟器，其有效辐照面直径达到1 100 mm，平均辐照度达到13个太阳常数(AM0)，光束准直角为±159°。首先给出了太阳模拟器的光学系统，分别从光源选择和布局，椭球镜设计和准直镜设计进行了阐述; 介绍了太阳模拟器的光机结构; 进行了系统的仿真和实现。实验表明，太阳模拟器的平均辐照度达到1 760 W/m2，辐照不均匀度达到±46%，辐照体不均匀度达到±596%，辐照不稳定度达到±136%，光谱匹配在300~1 400 nm波长范围内满足ASTM E927-10中AM0 B级要求，为航天有效载荷的热真空试验和热平衡试验提供了一个准确可靠的平台。
太阳模拟器 准直光束 大面积 离轴 solar simulator collimation beam large area off-Axis
