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基于自由曲面的色散型成像光谱仪光学设计方法研究

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基于自由曲面的色散型成像光谱仪光学设计方法研究

作者：罗越中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所)

学位级别：硕士

成像光谱仪是一种可以同时进行成像和光谱信息探测的光学仪器,从问世以来,已在各学科领域中发挥重要作用。但科学研究对光谱数据品质的要求永无止境,这作为成像光谱仪不断发展的内因,驱动着成像光谱仪向着更大视场、更高分辨率、更紧凑... 详细信息

成像光谱仪是一种可以同时进行成像和光谱信息探测的光学仪器,从问世以来,已在各学科领域中发挥重要作用。但科学研究对光谱数据品质的要求永无止境,这作为成像光谱仪不断发展的内因,驱动着成像光谱仪向着更大视场、更高分辨率、更紧凑体积的方向不断改进。基于传统面形的成像光谱仪,已很难满足这些要求。光学自由曲面一般是指不具有旋转对称性的光学面形,其优化自由度高,面形可控性强,可校正离轴光学系统中由于失对称产生的像差。将光学自由曲面应用于成像光谱仪设计中,有助于实现高指标的成像光谱仪设计。因此,自由曲面成像光谱仪的设计工作已成为当今光谱仪设计领域的热点研究方向。但自由曲面光学系统设计中存在初始结构少、设计方向不明确、设计盲目性大的问题,对此,首先,采用非自由曲面面形设计了一种光栅分光的中波红外光栅光谱仪系统。该系统采用经典C-T结构,使用非球面反射镜提升像质,并添加柱面镜压缩像散。该设计结构紧凑,但残余像差导致设计的光谱仪仍不能同时满足成像和光谱探测的需要。对此,分析了自由曲面带来性能提升的可行性,拟采用光学自由曲面进行进一步的改进。其次,研究了自由曲面光学系统中的光学自由曲面的面形表征方法。调研了XY多项式、Zernike多项式、Q-Type多项式及径向基函数等常见的表征光学自由曲面面形的方法。其中XY多项式数学形式简单,与光学加工联系紧密,且对不同孔径形状面形适应性强,适合用于自由曲面成像光谱仪的设计中,因此选择了XY多项式作为自由曲面成像光谱仪的面形表征方法。然后,针对已有自由曲面光学系统初始结构设计方法中存在的模块化不足,求解速度慢的问题,提出了一种可从平面无光焦度系统直接获得具有良好优化潜力的自由曲面光学系统的直接构建方法。采用该方法,完成了一款紧凑型离轴两反望远镜设计工作,并改进了已有的传统面形C-T光谱仪的设计结果。两款光学系统的成功设计验证了设计方法的可行性。最后,针对已有自由曲面光学系统初始结构设计方法中存在的设计盲目性大的问题,提出了一种可选取最节省设计资源的曲面棱镜成像光谱仪结构形式的设计方法。使用该方法,完成了一款曲面棱镜自由曲面成像光谱仪的设计工作,验证了所提方法的可行性。

关键词：成像光谱仪构建迭代自由曲面曲面棱镜

无人机反射率测量成像光谱仪光机设计及性能测试

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无人机反射率测量成像光谱仪光机设计及性能测试

作者：李亮亮安徽建筑大学

学位级别：硕士

光学卫星遥感器在轨运行过程中,需要进行在轨定标,为后端产品应用提供可靠的高精度定标结果。经过近三十年的发展,我国形成了以反射率基法为主的在轨替代定标方法。目前,主要采用人工测量的方法获取辐射校正场地表反射率,该方法存在着... 详细信息

光学卫星遥感器在轨运行过程中,需要进行在轨定标,为后端产品应用提供可靠的高精度定标结果。经过近三十年的发展,我国形成了以反射率基法为主的在轨替代定标方法。目前,主要采用人工测量的方法获取辐射校正场地表反射率,该方法存在着测量效率低、精度受人为因素影响大、观测目标区域尺度受限等问题。近年来,无人机技术发展迅速,无人机搭载测量设备获取地表反射率的方法具有操作简单、可按规划路线自动测量、受人为因素影响小、能够短时间获取不同尺度区域地物特性等优势,有效解决人工方式获取地表反射率的不足,提高光学遥感器在轨替代定标的效率和精度。论文开展了无人机反射率测量成像光学系统的研究,研制了适用于无人机搭载的成像光谱仪,研究结果对提高遥感器在轨替代定标的频次和精度具有重要的应用价值。论文系统分析了地表反射率的测量原理与应用需求,确定了无人机反射率测量成像光谱仪的指标参数和总体设计方案。为满足无人机搭载光学系统紧凑性、轻量化的结构要求,分光系统采用凸面光栅分光结构;前置成像系统采用离轴三反式成像结构,两种结构相结合实现了成像光谱仪结构紧凑、光谱分辨率高、成像质量好的设计目标。通过点列图、谱线弯曲和色畸变等方式进行系统的像质评价,根据公差分析和Monte Carlo分析优化设计了光学元件支撑结构。并完成了光机元件加工和成像光谱仪整机的装调工作。在光谱仪安装调试后,开展了仪器的光谱定标、辐射定标和推扫测试。结果表明,光谱仪工作范围为400～900nm,光谱分辨率优于4nm,技术指标满足设计要求。在室外开展了无人机反射率测量成像光谱仪与SVC野外光谱仪的对比测量试验,在可见近红外波段两台仪器测量反射率的平均偏差小于1.4%,反射率变化趋势一致。本研究工作为辐射校正场在轨定标的无人机反射率测量工作奠定了技术基础。

关键词：替代定标反射率基法成像光谱仪凸面光栅光机设计

基于精确光谱响应匹配的星载成像光谱仪交叉辐射定标

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光谱学与光谱分析 2012年第12期32卷 3416-3421页

作者：周冠华姜禾赵慧洁贾斐北京航空航天大学仪器科学与光电工程学院北京100191 精密光机电一体化技术教育部重点实验室北京100191

星载遥感器在轨运行中受到外太空环境以及遥感器自身特性衰变的影响,辐射特性会发生变化。为确保星载遥感数据能真实地反映被观测地物目标特征及其变化规律,需要定期对星载遥感器进行在轨辐射定标。环境小卫星超光谱成像仪(HJ1A/HSI)由... 详细信息

星载遥感器在轨运行中受到外太空环境以及遥感器自身特性衰变的影响,辐射特性会发生变化。为确保星载遥感数据能真实地反映被观测地物目标特征及其变化规律,需要定期对星载遥感器进行在轨辐射定标。环境小卫星超光谱成像仪(HJ1A/HSI)由于缺乏配套的星上定标系统,基于场地定标的方法难以满足高频次定标的需求。以EO-1/Hyperion为参考遥感器,以HJ1A/HSI为待定标遥感器,通过反卷积方法对两成像光谱仪光谱通道之间进行精确光谱响应匹配,消除波段设置的差异性,显著降低了HSI定标系数的不确定度。基于本定标方法得到的HSI 115个波段的绝对定标系数中,Band 1至Band 60之间的定标系数的不确定度稳定在5%～8%,除760nm附近的氧气吸收波段与940nm附近的水汽吸收波段外,其余波段的定标系数的不确定度为7%～18%,随着波长的增加,不确定度增大。与传统波段匹配方法相比,提高了约50%的精度,该定标精度基本可以满足遥感数据定量化应用的需求。该方法解决了在轨星载成像光谱仪光谱通道设置差异大、交叉定标精度低,难以实用的问题,为星载成像光谱仪高频率更新辐射定标数据提供了一种有效方法。

关键词：高光谱遥感光谱匹配交叉定标成像光谱仪

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一种Offner型小型短波红外成像光谱仪

光谱学与光谱分析 2017年第7期37卷 2267-2272页

作者：郑志忠杨忠修连存董金鑫陈春霞高扬俞正奎南京航空航天大学江苏南京210016 南京地质调查中心江苏南京210016

通过对Offner分光光学系统分析,给出了快速计算初始结构参数公式,根据算得的初始结构参数优化出一套适用于短波红外(1 000~2 500nm)的分光光学系统,设计的光学系统相对孔径大(F/#2.2)、光谱分辨率高(优于10nm)和入射狭缝长(12mm),在整... 详细信息

通过对Offner分光光学系统分析,给出了快速计算初始结构参数公式,根据算得的初始结构参数优化出一套适用于短波红外(1 000~2 500nm)的分光光学系统,设计的光学系统相对孔径大(F/#2.2)、光谱分辨率高(优于10nm)和入射狭缝长(12mm),在整个波长和视场范围内调制传递函数MTF均大于0.5。完成的成像光谱仪整机体积小,重量轻(小于5kg),仪器测试结果表明,全光谱范围内光谱线性好,光谱标定后波长精度优于4nm,通过对不同波段分辨率测试,全波长范围内光谱分辨率与设计相符,动态成像实验表明,光谱图像清晰并且光谱数据质量佳。

关键词：成像光谱仪短波红外光学设计凸面光栅光谱分辨率波长定标

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高分辨率星载真空紫外成像光谱仪设计与研究

光谱学与光谱分析 2011年第12期31卷 3417-3422页

作者：于磊林冠宇曲艺王淑荣汪龙祺中国科学院长春光学精密机械与物理研究所吉林长春130033 中国科学院研究生院北京100049

为了实现对大气层中辐射波长分布在真空紫外和近紫外波段(115～300nm)的粒子探测,完善大气遥感,设计了一种高分辨率成像光谱仪,并开展了原理样机的研制。根据国外已有载荷进行分析,选用了以离轴抛物镜为望远系统、Czerny-Turner结构为... 详细信息

为了实现对大气层中辐射波长分布在真空紫外和近紫外波段(115～300nm)的粒子探测,完善大气遥感,设计了一种高分辨率成像光谱仪,并开展了原理样机的研制。根据国外已有载荷进行分析,选用了以离轴抛物镜为望远系统、Czerny-Turner结构为成像光谱系统的光学方案;针对真空紫外波段辐射弱的特点选取了带有MCP的二维光子计数型探测器。为了实现该光学系统的宽波段成像功能,在像差理论的基础上引入了几何与一阶微分的数学方法,解决了传统结构像差校正不均匀、空间分辨率低的缺点;最终设计得到了改进型的成像光谱仪。对设计结果进行模拟和光谱分辨率计算分析可知这种成像光谱仪全视场全波段调制传递函数值在0.6以上,光谱分辨率达到1.23nm,具有良好的性能。这种方案工程实现性好,性能优越,设计方法和设计结果合理可行。

关键词：真空紫外成像光谱仪像差校正光谱分辨率

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基于成像光谱仪的光亮度精确测量方法研究

基于成像光谱仪的光亮度精确测量方法研究

作者：王玉华中科技大学

学位级别：硕士

随着信息技术的发展,各类新型平板显示器已经大量应用于工业、农业、国防、教育和人们的日常生活中,同时对显示器的质量提出了更高的要求。光亮度是表征显示器的重要光学参数之一,快速准确地测量光亮度对显示器生产过程的质量控制具有... 详细信息

随着信息技术的发展,各类新型平板显示器已经大量应用于工业、农业、国防、教育和人们的日常生活中,同时对显示器的质量提出了更高的要求。光亮度是表征显示器的重要光学参数之一,快速准确地测量光亮度对显示器生产过程的质量控制具有很好的应用价值,同时在照明工程设计、环境光检测及新型照明设备的设计等领域有广阔的应用前景。本文在大量检索国内外光亮度测量方法以及成像光谱仪相关文献的基础上,根据平板显示器质量在线监测的实际应用需求,提出了利用线性渐变滤光片型成像光谱仪进行快速精确测量光亮度的总体方案。通过分析线性渐变滤光片的分光原理,介绍了线性渐变滤光片型成像光谱仪的结构和工作方式,建立了目标点光亮度到图像传感器像素输出灰度值的转换关系,推导了光亮度测量的数学公式,确定了光亮度测量的实验方法。在此基础上进一步分析了目标距离、曝光时间、线性渐变滤光片的失配角、探测器的响应非线性及噪声等因素对光亮度测量精度的影响,并进行了相应的修正处理。研究了系统的光谱定标和辐射定标方法,建立了实验定标装置得到了系统的各定标系数。为了验证系统测量模型的正确性和精度,以LED积分球光源为目标,通过实验测量了单色光及混合光谱组合光源在不同距离、不同曝光时间的光亮度,实验验证了基于线性渐变滤光片型成像光谱仪进行光亮度高精度测量的可行性。最后实际测量了平板显示器任意区域的光亮度值,通过数据对比分析表明,测量精度达到了国家一级亮度计的性能标准。

关键词：线性渐变滤光片成像光谱仪光亮度辐亮度图像传感器

基于成像光谱仪的显示屏亮色度参数测量系统定标与软件设计

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基于成像光谱仪的显示屏亮色度参数测量系统定标与软件设计

作者：苗丹华中科技大学

学位级别：硕士

显示屏是信息输出的重要设备,在国防、工业以及人们的日常生活中获得了广泛地应用。随着信息技术的发展,大尺寸高分辨率的新型显示产品不断涌现,同时人们对显示产品的质量要求也不断提高,因此对显示屏参数的检测提出了新的需求。成像光... 详细信息

显示屏是信息输出的重要设备,在国防、工业以及人们的日常生活中获得了广泛地应用。随着信息技术的发展,大尺寸高分辨率的新型显示产品不断涌现,同时人们对显示产品的质量要求也不断提高,因此对显示屏参数的检测提出了新的需求。成像光谱技术融合了光谱测量技术和光电成像技术,能得到目标的光谱立方体数据,通过定标可以获得显示屏空间各点的绝对光谱功率分布曲线,进而计算出屏幕各点的亮度与色度值。将成像光谱技术应用于显示产品的检测,可以克服目前成像式亮度计测量精度不高的缺点,在显示屏质量检测方面具有很好的应用前景。本文在大量检索国内外相关文献及调研产业背景的基础上,以显示屏在线高精度质量检测为目标需求,介绍了以线性渐变滤光片为核心的成像光谱仪的原理和结构,推导了成像光谱仪显示屏光亮度与色坐标计算公式,研究了线性渐变滤光片成像光谱仪的定标原理、谱线修正和峰值校准方法,设计了提高定标精度的算法。为了实现对显示屏各点光亮度和色坐标的快速测量与分析,设计了一套图像采集、光谱重构、光谱定标与辐射定标、光亮度色度参数计算与分析一体的亮度色度学参数测量软件。建立了光谱定标、辐射定标、显示屏亮度和色坐标测量的原理性实验测试装置,实验验证了利用成像光谱技术的光亮度色度参数测量方法的可行性,实验测试结果达到了设计精度要求。

关键词：线性渐变滤光片成像光谱仪光亮度波长定标辐射度定标

一种大孔径紫外傅里叶变换成像光谱仪结构研究

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光学学报 2014年第3期34卷 298-303页

作者：刘洋廖宁放白廷柱吕航廉玉生北京理工大学光电学院光电成像技术与系统教育部重点实验室北京100081 北京理工大学光电学院颜色科学国家重点学科实验室北京100081

根据刑侦、物证等领域的应用要求，研制了一种工作波段为254～380nm的大孔径傅里叶变换成像光谱仪。该系统采用具有高光通量的时间一空间调制型结构以解决现有系统能量不足的问题。系统采用像平面式干涉仪与全反射式Offnet成像镜相配合... 详细信息

根据刑侦、物证等领域的应用要求，研制了一种工作波段为254～380nm的大孔径傅里叶变换成像光谱仪。该系统采用具有高光通量的时间一空间调制型结构以解决现有系统能量不足的问题。系统采用像平面式干涉仪与全反射式Offnet成像镜相配合的方案，可实现干涉图上光程差近似线性分布。其在紫外波段最大可获得光程差与空间调制型干涉结构相同，理论最大波数分辨率为80cm^-1。系统前置物镜、分光立方体为熔石英材质，成像镜为全反射系统，在全工作波段内具有较高透射率。实验结果表明，系统可获取工作波段短波端附近的原始干涉图，能正确采集及重构目标的紫外波段光谱数据立方体；在使用汞灯照明时，可正确识别365nm处发射峰。

关键词：光谱学成像光谱仪傅里叶变换紫外

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全谱段高光谱成像光谱仪光学系统设计

全谱段高光谱成像光谱仪光学系统设计

作者：马健中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所)

学位级别：硕士

高光谱成像技术可同时获取地物的几何、辐射和光谱信息,可对地物进行空间和光谱三维成像,对地物的精细分类和识别具有突出优势,目前已成为对地遥感的重要技术手段之一。国内外现阶段主流的星载高光谱成像系统波段范围大多仅覆盖可见/近... 详细信息

高光谱成像技术可同时获取地物的几何、辐射和光谱信息,可对地物进行空间和光谱三维成像,对地物的精细分类和识别具有突出优势,目前已成为对地遥感的重要技术手段之一。国内外现阶段主流的星载高光谱成像系统波段范围大多仅覆盖可见/近红外和短波红外,大多无法获取可见至长波红外全谱段的光谱信息。为了进一步拓宽高光谱的成像谱段范围,现有高光谱成像系统一般通过多套单一波段的成像光谱仪器搭载到同一平台实现,具有结构冗余,体积较大,不共视场,过多占用卫星平台资源等缺点。为了满足各领域用户对目标全谱段信息获取的需求,共口径全谱段高光谱成像光谱仪研究具有重要的意义。基于上述背景,本文开展了共口径全谱段高光谱成像光谱仪光学系统设计研究:首先,根据应用需求分析确定了全谱段高光谱成像光谱仪的各项设计指标。根据全谱段高光谱成像光谱仪共口径要求进行光学结构选型分析,提出共口径前置离轴三反望远物镜并分别对接后置四个谱段Offner凸面光栅光谱仪的总体设计方案。针对共口径离轴三反望远物镜主光学结构布局空间有限,难以实现共口径四谱段高质量划分这一问题,提出了采用视场分离分光与分色片分光相结合的方法实现其谱段划分。通过设计不同放大率的光谱仪满足各谱段所需焦距,以达到设计幅宽和各谱段空间分辨率要求。其次,根据设计指标计算了像方远心离轴三反望远系统初始结构参数,完成了三视场分离的像方远心离轴三反望远系统光学设计;同时计算了各谱段Offner光谱仪初始结构参数,并完成Offner光谱仪光学系统设计;最后开展了光学系统的一体化优化设计,各谱段成像质量良好,实现了共口径、全谱段高光谱成像。公差分析结果表明,各谱段光学系统允差合理,满足装配要求。最后,对中长波红外光谱仪的光机背景热辐射进行了分析与抑制方法研究。建立了中长波红外谱段光谱仪的光机模型,在计算地物目标为300K时中长波红外谱段单个光谱通道内的平均辐射通量的基础上,通过杂散光分析软件Tracepro对光谱仪光机背景热辐射进行了分析。建立了中长波红外辐射传递模型,分析了影响辐射传输的因素,并对光谱仪制冷条件下的光机背景热辐射进行了仿真分析,结果表明此方法对光谱仪的光机背景热辐射抑制效果显著。

关键词：光学设计成像光谱仪全谱段 Offner 背景辐射抑制