變間距凸面光柵成像光譜系統(tǒng)的消像散設(shè)計
發(fā)布時間：2021-07-22 08:57
為了在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單的前提下實現(xiàn)凸面光柵成像光譜儀的大相對孔徑、高分辨率成像、輕小型化以及系統(tǒng)的易加工裝調(diào),優(yōu)化設(shè)計了一種基于變間距凸面光柵的消像差凸面光柵成像光譜系統(tǒng),該系統(tǒng)為雙光學(xué)元件全反射式同心結(jié)構(gòu),克服了已有消像差結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性與應(yīng)用局限性。提出了基于光柵的像差理論進行消像差的設(shè)計方法,構(gòu)建了系統(tǒng)的幾何像差理論模型,并結(jié)合羅蘭圓條件分析了系統(tǒng)在子午與弧矢方向上的聚焦條件,建立了凸面光柵刻線間距與系統(tǒng)像散關(guān)系的數(shù)學(xué)模型;通過全局化的優(yōu)化算法實現(xiàn)了對凸面光柵成像光譜儀的消像散設(shè)計。設(shè)計結(jié)果表明:該消像散的凸面光柵成像光譜系統(tǒng)在300～800 nm實現(xiàn)了相對孔徑為F/2.7時極限光譜分辨力優(yōu)于1.9 nm的高像質(zhì)成像,可實現(xiàn)約201個高光譜通道,而且系統(tǒng)在全波段內(nèi)的光學(xué)傳遞函數(shù)值優(yōu)于0.7,對輕小型、高光譜的消像差凸面光柵成像光譜儀的研究具有重要意義。
【文章來源】：光學(xué)精密工程. 2020,28(10)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：9 頁
【部分圖文】：
在子午與弧矢方向的優(yōu)化結(jié)果
系統(tǒng)在設(shè)計波長處的全視場光線追跡結(jié)果如圖6所示,分辨力優(yōu)于2.4 nm;如圖7、圖8所示,系統(tǒng)在600 nm處有極限分辨力1.9 nm,在800 nm處的分辨力優(yōu)于3.3 nm。在系統(tǒng)的相對孔徑為F/2.7時,對300,600,800 nm的波長分別在0,0.7和1視場處對10 μm×10 μm的物點進行光線追跡,得到的點列圖如圖9所示。圖中,點列圖是對均勻取樣光線追跡的結(jié)果,實際的能量分布滿足高斯分布,即光斑能量主要集中在譜線半高位置,如600 nm、0.7視場處的點列圖所示,能量集中分布在直徑約為10 μm的光斑范圍內(nèi)。整個系統(tǒng)的極限分辨力達1.9 nm,可實現(xiàn)約201個高光譜通道。圖7 (600?SymbolqB@1.9)nm波長的全視場光線追跡結(jié)果
凸面光柵作為Offner同心成像光譜系統(tǒng)的關(guān)鍵色散元件,同時又處于分光系統(tǒng)的光闌位置,決定著成像光譜儀的光學(xué)性能。為了得到高像質(zhì)、高分辨率、低加工成本以及低裝調(diào)難度的標準Offner成像光譜系統(tǒng)(如圖3所示),本文通過優(yōu)化凸面光柵刻線間距的設(shè)計方法,以減小并均衡不同波長的光線因色散不對稱性引入的系統(tǒng)像散。在該設(shè)計中,凸面光柵G和凹面反射鏡M均為球面,且其球心位于同一坐標處,兩光學(xué)元件共軸,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中,狹縫尺寸為10 mm×10 μm,凸面光柵的曲率半徑為R=100 mm,光柵中心點處的刻線密度為100 gr/mm,光柵口徑約為30 mm×30 mm,光柵衍射級次為-1級,反射鏡M的曲率半徑為R1=R2=193.2 mm,主光線在光柵上的入射角為θ=30°,光譜波段為300～800 nm。以上述參數(shù)為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)參數(shù),為實現(xiàn)對多變量非線性目標函數(shù)的全局優(yōu)化,選用高效率的遺傳算法進行優(yōu)化,并通過多組優(yōu)化結(jié)果的對比篩選出最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]大視場快焦比施密特系統(tǒng)在星載光譜儀中的應(yīng)用[J]. 王欣,劉強,舒嶸. 光學(xué)精密工程. 2019(03)
[2]用于沿海水色探測的機載紫外-可見-近紅外高光譜成像儀[J]. 于磊,陳結(jié)祥,薛輝,申遠. 光學(xué)精密工程. 2018(10)
[3]Offner成像光譜儀的消像差技術(shù)[J]. 趙美紅,李文昊,巴音賀希格,呂強. 光學(xué)精密工程. 2017(12)
[4]極紫外波段平面變柵距全息光柵的優(yōu)化設(shè)計[J]. 姜巖秀,巴音賀希格,楊碩,趙旭龍,李文昊,吳娜. 光學(xué)學(xué)報. 2015(01)
[5]Offner成像光譜儀的設(shè)計方法[J]. 佟亞軍,吳剛,周全,杜學(xué)維,馬智宏,肖體喬,王秋平. 光學(xué)學(xué)報. 2010(04)
本文編號：3296846
【文章來源】：光學(xué)精密工程. 2020,28(10)北大核心EICSCD
【文章頁數(shù)】：9 頁
【部分圖文】：
在子午與弧矢方向的優(yōu)化結(jié)果
系統(tǒng)在設(shè)計波長處的全視場光線追跡結(jié)果如圖6所示,分辨力優(yōu)于2.4 nm;如圖7、圖8所示,系統(tǒng)在600 nm處有極限分辨力1.9 nm,在800 nm處的分辨力優(yōu)于3.3 nm。在系統(tǒng)的相對孔徑為F/2.7時,對300,600,800 nm的波長分別在0,0.7和1視場處對10 μm×10 μm的物點進行光線追跡,得到的點列圖如圖9所示。圖中,點列圖是對均勻取樣光線追跡的結(jié)果,實際的能量分布滿足高斯分布,即光斑能量主要集中在譜線半高位置,如600 nm、0.7視場處的點列圖所示,能量集中分布在直徑約為10 μm的光斑范圍內(nèi)。整個系統(tǒng)的極限分辨力達1.9 nm,可實現(xiàn)約201個高光譜通道。圖7 (600?SymbolqB@1.9)nm波長的全視場光線追跡結(jié)果
凸面光柵作為Offner同心成像光譜系統(tǒng)的關(guān)鍵色散元件,同時又處于分光系統(tǒng)的光闌位置,決定著成像光譜儀的光學(xué)性能。為了得到高像質(zhì)、高分辨率、低加工成本以及低裝調(diào)難度的標準Offner成像光譜系統(tǒng)(如圖3所示),本文通過優(yōu)化凸面光柵刻線間距的設(shè)計方法,以減小并均衡不同波長的光線因色散不對稱性引入的系統(tǒng)像散。在該設(shè)計中,凸面光柵G和凹面反射鏡M均為球面,且其球心位于同一坐標處,兩光學(xué)元件共軸,簡化了系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。其中,狹縫尺寸為10 mm×10 μm,凸面光柵的曲率半徑為R=100 mm,光柵中心點處的刻線密度為100 gr/mm,光柵口徑約為30 mm×30 mm,光柵衍射級次為-1級,反射鏡M的曲率半徑為R1=R2=193.2 mm,主光線在光柵上的入射角為θ=30°,光譜波段為300～800 nm。以上述參數(shù)為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的基本結(jié)構(gòu)參數(shù),為實現(xiàn)對多變量非線性目標函數(shù)的全局優(yōu)化,選用高效率的遺傳算法進行優(yōu)化,并通過多組優(yōu)化結(jié)果的對比篩選出最優(yōu)的設(shè)計結(jié)果。
【參考文獻】：
期刊論文
[1]大視場快焦比施密特系統(tǒng)在星載光譜儀中的應(yīng)用[J]. 王欣,劉強,舒嶸. 光學(xué)精密工程. 2019(03)
[2]用于沿海水色探測的機載紫外-可見-近紅外高光譜成像儀[J]. 于磊,陳結(jié)祥,薛輝,申遠. 光學(xué)精密工程. 2018(10)
[3]Offner成像光譜儀的消像差技術(shù)[J]. 趙美紅,李文昊,巴音賀希格,呂強. 光學(xué)精密工程. 2017(12)
[4]極紫外波段平面變柵距全息光柵的優(yōu)化設(shè)計[J]. 姜巖秀,巴音賀希格,楊碩,趙旭龍,李文昊,吳娜. 光學(xué)學(xué)報. 2015(01)
[5]Offner成像光譜儀的設(shè)計方法[J]. 佟亞軍,吳剛,周全,杜學(xué)維,馬智宏,肖體喬,王秋平. 光學(xué)學(xué)報. 2010(04)
本文編號：3296846
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