為了在系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的前提下實(shí)現(xiàn)凸面光柵成像光譜儀的大相對(duì)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(jì)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(jìn)行消像差的設(shè)計(jì)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(guò)全局化的優(yōu)化算法實(shí)現(xiàn)了對(duì)凸面光柵成像光譜儀的消像散設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)了相對(duì)孔徑為F/2.7時(shí)極限光譜分辨力優(yōu)于1.9 nm的高像質(zhì)成像,可實(shí)現(xiàn)約201個(gè)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(duì)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(lái)源】：光學(xué)精密工程. 2020,28(10)北大核心EICSCD

【文章頁(yè)數(shù)】：9 頁(yè)

【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(jì)波長(zhǎng)處的全視場(chǎng)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(duì)孔徑為F/2.7時(shí),對(duì)300,600,800 nm的波長(zhǎng)分別在0,0.7和1視場(chǎng)處對(duì)10 μm×10 μm的物點(diǎn)進(jìn)行光線追跡,得到的點(diǎn)列圖如圖9所示。圖中,點(diǎn)列圖是對(duì)均勻取樣光線追跡的結(jié)果,實(shí)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(chǎng)處的點(diǎn)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(gè)系統(tǒng)的極限分辨力達(dá)1.9 nm,可實(shí)現(xiàn)約201個(gè)高光譜通道。圖7 (600?SymbolqB@1.9)nm波長(zhǎng)的全視場(chǎng)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(shí)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(biāo)準(zhǔn)Offner成像光譜系統(tǒng)(如圖3所示),本文通過(guò)優(yōu)化凸面光柵刻線間距的設(shè)計(jì)方法,以減小并均衡不同波長(zhǎng)的光線因色散不對(duì)稱性引入的系統(tǒng)像散。在該設(shè)計(jì)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(biāo)處,兩光學(xué)元件共軸,簡(jiǎn)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(diǎn)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(jí)次為-1級(jí),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(jì)的基本結(jié)構(gòu)參數(shù),為實(shí)現(xiàn)對(duì)多變量非線性目標(biāo)函數(shù)的全局優(yōu)化,選用高效率的遺傳算法進(jìn)行優(yōu)化,并通過(guò)多組優(yōu)化結(jié)果的對(duì)比篩選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)結(jié)果。

【參考文獻(xiàn)】：
期刊論文
[1]大視場(chǎng)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(qiáng),舒嶸.  光學(xué)精密工程. 2019(03)
[2]用于沿海水色探測(cè)的機(jī)載紫外-可見(jiàn)-近紅外高光譜成像儀[J]. 于磊,陳結(jié)祥,薛輝,申遠(yuǎn).  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(qiáng).  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(jì)[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(bào). 2015(01)
[5]Offner成像光譜儀的設(shè)計(jì)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(bào). 2010(04)



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