【摘 要】
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傅里叶变换光谱仪（Fourier Transform Spectrometer,FTS）因其多通道、高通量等优势而适用于多种应用场景,尤其在红外波段得到广泛的应用。傅里叶变换成像光谱仪（Fourier Transform Imaging Spectrometer,FTIS）融合了傅里叶变换光谱技术与成像技术,可获取目标的三维信息（二维空间信息和一维光谱信息）,广泛应用于环境监测、资源勘查、军事目标
【机 构】
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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)
【出 处】
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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
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傅里叶变换光谱仪（Fourier Transform Spectrometer,FTS）因其多通道、高通量等优势而适用于多种应用场景,尤其在红外波段得到广泛的应用。傅里叶变换成像光谱仪（Fourier Transform Imaging Spectrometer,FTIS）融合了傅里叶变换光谱技术与成像技术,可获取目标的三维信息（二维空间信息和一维光谱信息）,广泛应用于环境监测、资源勘查、军事目标识别和生物医学诊断等领域。目前FTS和FTIS大部分具有扫描结构,使得体积、重量、实时性和稳定性方面受到限制。为实现光谱与成像光谱仪器的轻小型化,我们首先研究了一种基于阶梯微反射镜和微透镜阵列等微光学器件的傅里叶变换光谱仪（Micro-optical Elements Fourier Transform Spectrometer,MOEFTS）,在此基础上,开展了快照红外傅里叶变换成像光谱仪（Snapshot Infrared Fourier Transform Imaging Spectrometer,SIFTIS）理论、设计及实验研究。本论文的研究内容主要有以下四个部分:（1）开展了MOEFTS理论设计及实验研究:建立了MOEFTS的干涉像点强度视场积分模型,在引入微透镜阵列的情况下分析光源视场对重构光谱的影响,确定了系统视场参数,利用微光学器件对MOEFTS进行光学系统设计和消色差优化;仿真了系统的物理光学传输过程,建立了干涉像点阵列的重构光谱数据处理流程;基于MOEFTS光传输模型对关键器件微透镜阵列的平移和旋转位置误差进行了数值计算,建立了误差传递模型,确定了误差容限;搭建了MOEFTS实验平台系统,完成光谱波数标定实验和样品物质光谱测量实验,实验测得的光谱峰值波数漂移低于4 cm-1,验证了系统对物质的定性识别能力;完成了MOEFTS轻小型化原理样机的集成装调。（2）基于MOEFTS的研究成果,开展了SIFTIS的理论和关键器件的研究:通过理论研究确定了SIFTIS干涉核心器件阶梯微反射镜的结构光学参数,基于Monte Carlo方法建立了基片堆叠法制作阶梯微反射镜时楔形块倾角误差（阶梯高度误差）和基片加工误差与光谱误差间的传递模型,给出了阶梯微反射镜制作误差容限;搭建了阶梯微反射镜制作实验平台系统,完成了阶梯微反射镜的制作;建立了SIFTIS系统的光传输模型,分析了准直系统与透镜阵列的波像差和透镜阵列的透镜单元倾斜误差导致的光谱误差,并提出斯特列尔比（SR）和强度调制比（IMR）算法分别校正两种光谱误差。（3）开展了SIFTIS的光学系统设计的研究:通过光学系统独立设计优化后全局匹配的方法对SIFTIS进行了光学系统设计和优化;考虑阶梯微反射镜作为像面时的高焦深要求和多通道快照成像时的消畸变要求,利用折衍射透镜和远心光路结构完成了中继系统RS的光学设计优化;根据与RS之间的匹配关系,完成了多通道系统MS的光学设计优化;基于SIFTIS的两种不同应用环境,设计了用于近场目标成像的近场成像系统NIS和用于遥感目标成像的遥感成像系统RSIS;优化后的光学系统截止频率处的MTF均优于0.5,仿真了系统的物理光学传输过程,获取了仿真干涉图像阵列和重构光谱。（4）开展了SIFTIS的图谱测量实验研究:搭建了实验室环境下的近场目标探测的SIFTIS实验平台系统;完成了SIFTIS初步光路调节,获取了干涉条纹阵列,通过物理光学仿真证明了阶梯微反射镜的器件装调误差导致的光谱峰值漂移可以通过光谱波数标定进行校正;设计并完成了SIFTIS的光谱波数标定实验和靶标图谱测量实验,验证了SIFTIS的图像分辨率和光谱识别能力;通过动态酒精灯燃烧火焰的图谱测量实验,成功识别了酒精灯燃烧所生成CO2的吸收光谱特征峰,测得的光谱峰值漂移低于0.7 cm-1,验证了SIFTIS的动态目标图谱测量能力。
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