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空间太阳极紫外三波段成像光谱仪系统设计

光学学报 2024年第6期44卷 295-307页

作者：段紫雯邢阳光彭吉龙代树武王颖朱成林闫雷黄一帆刘越李林北京理工大学光电学院北京100081 北京卫星环境工程研究所北京100094 北京空间飞行器总体设计部北京100094 北京宇航系统工程研究所北京100076

太阳上层大气,即日冕、过渡区和色球,是由炽热的高度动态的磁化等离子体构成,其中高度电离的离子发射出丰富的极紫外谱线。空间太阳极紫外光谱成像观测对于捕获太阳上层大气中爆发活动的动态物理演化过程,以及实现对大气等离子体特征参... 详细信息

太阳上层大气,即日冕、过渡区和色球,是由炽热的高度动态的磁化等离子体构成,其中高度电离的离子发射出丰富的极紫外谱线。空间太阳极紫外光谱成像观测对于捕获太阳上层大气中爆发活动的动态物理演化过程,以及实现对大气等离子体特征参数的精确测量具有重要的意义。然而现有的极紫外光谱成像仪器只能针对太阳上层大气的一个或两个目标区域进行成像观测,缺乏采用单一仪器对整个太阳上层大气区域在大空间和宽波段尺度范围内的光谱进行诊断的能力,严重制约了人们对太阳爆发活动中的能量及物质输运过程的理解。为了利用单个仪器实现对日冕、过渡区和色球的高分辨率同时诊断观测,本文提出并设计了一款同时工作在17~21 nm、70~80 nm和95~105 nm三个波段的太阳极紫外成像光谱仪,该仪器基于非罗兰圆结构下的椭球面变线距(EVLS)光栅像差校正理论,采用狭缝扫描式成像光谱结构,实现了具有大离轴狭缝视场的高空间、高光谱分辨的消像散光谱成像。基于蒙特卡罗统计模拟方法对太阳极紫外三波段成像光谱仪的最优模型开展光线追迹仿真实验,仿真结果表明,所设计的成像光谱仪取得了良好的光栅像差校正效果,系统空间分辨率优于0.6″,光谱分辨率在17~21 nm波段优于0.006 nm,在70~80 nm和95~105 nm波段优于0.008 nm。本文研究对我国未来的太阳极紫外光谱成像仪器的发展和研制具有重要的理论意义,对我国未来的太阳空间探测任务的型号遴选具有重要的参考价值。

关键词：太阳空间探测太阳极紫外成像光谱仪光栅像差校正光线追迹

亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪光学设计

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物理学报 2024年第3期73卷 357-369页

作者：黄一帆邢阳光沈文杰彭吉龙代树武王颖段紫雯闫雷刘越李林北京理工大学光电学院北京100081 北京卫星环境工程研究所北京100094 北京空间飞行器总体设计部北京100094 北京宇航系统工程研究所北京100076

狭缝式成像光谱仪是太阳极紫外光谱成像探测的重要工具之一,然而目前国内尚无该类载荷,导致太阳物理学和空间天气学等学科在极紫外光谱诊断研究方面主要依赖国外仪器数据,严重制约了相关学科的发展.国外已发射的成像光谱仪仅具有2"量级... 详细信息

狭缝式成像光谱仪是太阳极紫外光谱成像探测的重要工具之一,然而目前国内尚无该类载荷,导致太阳物理学和空间天气学等学科在极紫外光谱诊断研究方面主要依赖国外仪器数据,严重制约了相关学科的发展.国外已发射的成像光谱仪仅具有2"量级的空间分辨率,很难观测到日冕加热模型预测的等离子体核心特征.为了更好地理解太阳不同层次大气之间的耦合过程,需要更宽光谱覆盖的太阳观测数据.鉴于此,本文提出并设计了一款亚角秒空间分辨的太阳极紫外宽波段成像光谱仪,相比现有仪器,系统能够实现更高空间和光谱分辨率、更宽光谱范围覆盖的观测.性能评价结果表明,系统在62—80 nm,92—110 nm波段内的像元空间分辨率均优于0.4",光谱分辨率均优于0.007 nm,光谱成像质量接近衍射极限,对我国未来首台空间太阳极紫外成像光谱仪的研制具有重要参考价值.

关键词：太阳极紫外光学设计成像光谱仪超环面变线距光栅

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太阳短波极紫外双波段成像光谱仪设计

光学学报 2024年第12期 293-306页

作者：段紫雯邢阳光彭吉龙闫雷黄一帆刘越李林北京理工大学光电学院中国科学院紫金山天文台北京卫星环境工程研究所北京宇航系统工程研究所

基于超环面变线距（TVLS）光栅设计太阳短波极紫外的双波段成像光谱仪，光谱仪系统采用非罗兰圆的光栅工作结构，不需要光谱的扫描或探测器的位移即可同时获得17～21 nm和28～32 nm两个波段的高空间、高光谱分辨和大瞬时狭缝视场的消像... 详细信息

基于超环面变线距（TVLS）光栅设计太阳短波极紫外的双波段成像光谱仪，光谱仪系统采用非罗兰圆的光栅工作结构，不需要光谱的扫描或探测器的位移即可同时获得17～21 nm和28～32 nm两个波段的高空间、高光谱分辨和大瞬时狭缝视场的消像散光谱成像。基于蒙特卡罗统计模拟方法对太阳短波极紫外双波段成像光谱仪的最优模型开展光线追迹仿真实验，仿真结果表明其空间分辨率优于1″，光谱分辨率优于0.0055 nm，所设计的成像光谱仪具有良好的光栅像差校正效果，其光谱成像性能接近衍射极限。为我国未来的太阳极紫外光谱成像仪器的发展研制提供重要的理论意义，为我国未来的太阳空间探测任务的型号遴选提供重要的参考价值。

关键词：光学器件太阳空间探测太阳极紫外成像光谱仪光栅像差校正光线追迹

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基于成像光谱仪的光亮度精确测量方法研究

激光技术 2024年第2期48卷 166-170页

作者：王玉曾延安郑海霆苗丹华中科技大学光学与电子信息学院武汉430074

为了快速精确测量平板显示器的光亮度,采用基于线性渐变滤光片的成像光谱仪进行了理论分析和实验验证,讨论了以线性渐变滤光片为核心的成像光谱仪的原理、结构及应用特点,建立了光源光亮度-输出灰度值的数学转换模型,以及基于LED积分球... 详细信息

为了快速精确测量平板显示器的光亮度,采用基于线性渐变滤光片的成像光谱仪进行了理论分析和实验验证,讨论了以线性渐变滤光片为核心的成像光谱仪的原理、结构及应用特点,建立了光源光亮度-输出灰度值的数学转换模型,以及基于LED积分球光源和分光光谱辐射亮度计的成像光谱仪光谱定标与辐射定标装置,得到了目标的光谱立方体数据,并计算出目标各点的绝对光谱功率分布曲线。结果表明,测量显示屏的相对示值误差小于3%,达到了国标光亮度测量所规定的一级测量精度要求,实现了对面光源光亮度的快速精确测量。该研究为优化显示器行业的质量控制和产品调控提供了有利参考。

关键词：光谱学光亮度成像光谱仪线性渐变滤光片

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基于无序色散成像光谱仪的实验教学设计

实验技术与管理 2024年第2期41卷 235-243页

作者：唐瑾杨涛江玉翠叶尚辉周馨慧南京邮电大学材料科学与工程学院江苏南京210023 南京中医药大学中医学院江苏南京210023

论文以无序色散成像光谱仪的制备与性能测试为例,研究了如何将新型的上、下转换发光材料和成像光谱仪器件相结合实现宽波段测量范围的超光谱成像,并将其应用于材料物理专业本科生“光电子器件与工艺”课程的实践教学中去。该实践教学包... 详细信息

论文以无序色散成像光谱仪的制备与性能测试为例,研究了如何将新型的上、下转换发光材料和成像光谱仪器件相结合实现宽波段测量范围的超光谱成像,并将其应用于材料物理专业本科生“光电子器件与工艺”课程的实践教学中去。该实践教学包括前置器件、色散器件、转换器件、探测器件等部件的设计与制备,以及光谱复原数学优化算法的学习和大型实验仪器的使用。该实验教学设计,改变了传统材料专业学生对光电子技术不够了解的状况,扩大了材料物理专业学生在光电子学领域的知识面,提高了综合素养,促进了多元化就业。

关键词：教学改革成像光谱仪超光谱成像光谱复原

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成像光谱仪的发展与应用(特邀)

红外与激光工程 2022年第1期51卷 290-300页

作者：于磊中国科学院合肥物质科学研究院安徽光学精密机械研究所安徽合肥230031

成像光谱仪是一种有效的定量探测工具,得益于其可通过高空间分辨率和高光谱分辨率同时获取探测目标的三维立方体数据的能力,使得成像光谱仪在测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等领域应用极为广泛。文中根据... 详细信息

成像光谱仪是一种有效的定量探测工具,得益于其可通过高空间分辨率和高光谱分辨率同时获取探测目标的三维立方体数据的能力,使得成像光谱仪在测绘遥感、目标识别、环境监测与评估、临床影像诊断、过程监控等领域应用极为广泛。文中根据分光原理和分光元件的不同,将成像光谱仪分为四类:滤光型、色散型、干涉型和快照型,在分类的基础上对各种成像光谱仪的主要代表形式和应用进行了回顾和介绍,并对成像光谱仪未来可能存在的发展和应用方向进行了展望。

关键词：成像光谱仪滤光型色散型干涉型快照型

AOTF与中阶梯光栅结合的小型化超光谱分辨率成像光谱仪

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光学学报 2023年第19期43卷 249-256页

作者：张磊李博顾国超王晓旭李寒霜中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 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... 详细信息

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。

关键词：光学设计成像光谱仪 AOTF 中阶梯光栅

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手机嵌入式快照成像光谱仪的研制

中国光学（中英文） 2022年第4期15卷 770-779页

作者：田久谊陕西快谱深光科技有限公司陕西西安710065

目前手机摄像头已经具备在空间(x-y方向)和深度(z方向)维度上获取成像信息的能力,而在光谱维度的信息获取上一直停留在RGB三色上,受困于手机平台的尺寸限制,传统的成像光谱仪很难嵌入。本文基于多通道阵列滤光片、微透镜阵列成像和一体... 详细信息

目前手机摄像头已经具备在空间(x-y方向)和深度(z方向)维度上获取成像信息的能力,而在光谱维度的信息获取上一直停留在RGB三色上,受困于手机平台的尺寸限制,传统的成像光谱仪很难嵌入。本文基于多通道阵列滤光片、微透镜阵列成像和一体化集成制造技术,完成了系统整体设计、关键部件设计制造、整体装配,并实验验证了光谱成像。系统整体物理尺寸小于Φ6×6 mm,光谱分辨率为8 nm,光谱范围为0.53~0.68μm。实验研究表明,对不同颜色的实物成像,可以获得物体任意部位的光谱曲线,验证了快照式光谱仪的设计指标。该光谱仪具备了嵌入手机的基本条件,此研究有望推动成像光谱仪在手机上集成应用。

关键词：成像光谱仪滤光片阵列微透镜阵列

一种长狭缝均匀色散的Dyson棱镜成像光谱仪

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光学学报 2022年第13期42卷 142-149页

作者：范纪泽李博叶新李寒霜林冠宇中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院大学北京100049

国内外研究的Dyson棱镜成像光谱仪有自身像差较小、高透过率等优点。对Dyson棱镜式成像光谱仪存在的色散均匀性进行改进,通过分析不同材料棱镜的色散规律,选用了熔融石英及CaF2材料构成的消色差棱镜组,并采用超环反射面及透镜组校正其... 详细信息

国内外研究的Dyson棱镜成像光谱仪有自身像差较小、高透过率等优点。对Dyson棱镜式成像光谱仪存在的色散均匀性进行改进,通过分析不同材料棱镜的色散规律,选用了熔融石英及CaF2材料构成的消色差棱镜组,并采用超环反射面及透镜组校正其余像差。优化得到一种长度为80 mm的狭缝、色散较为均匀的Dyson棱镜成像光谱仪,同时采用双反物镜结构及拼接狭缝的手段达到总体200 km的幅宽要求。结果表明,在400~2500 nm波段范围及狭缝长度为80 mm的条件下,光谱分辨率为10 nm,光学系统设计值在25 lp/mm截止频率下,调制传递函数大于0.6。通过各波长色散后的像面光谱位置可以得出,在400~1200 nm范围内,色散曲线与拟合直线之间的拟合精度由单材料棱镜时的0.88提高到两种材料棱镜时的0.94,色散均匀性也得到了极大的改善。

关键词：光学设计成像光谱仪消色差棱镜 Dyson棱镜