近日，同济大学精密光学工程技术研究所王占山和程鑫彬团队提出基于综合性能评估的公差分析方法，实现了自由曲面光谱成像系统样机研制，研究成果以“综合性能驱动的自由曲面光谱成像系统公差分析方法（Comprehensive performance domain tolerance analysis methodology for freeform imaging spectrometers）”为题，发表于《OpticsExpress》。
光谱成像系统具有同时获取物体空间信息和“指纹”光谱信息能力，在对地观测、深空探测、智慧农业、食品安全等领域有着广泛的应用。随着自由曲面设计加工技术不断成熟，基于自由曲面与平面光栅的光谱成像系统具有低成本、高性能、轻小型化等特点，是目前研究的热点。传统的公差分析方法评价指标单一，一般为单一的系统MTF或者单一的系统波像差，无法满足光谱成像系统多性能（系统MTF、光谱畸变和弯曲、光谱分辨率）评价的需求，对于高性能自由曲面光谱成像系统，往往无法给出有效的加工和装调指导，限制了其样机的研制。
王占山和程鑫彬团队提出了一种综合性能驱动的自由曲面光谱成像系统公差分析方法，将光谱成像系统核心性能指标（系统MTF、光谱畸变和弯曲、光谱分辨率）纳入公差分析评价标准，联合Zemax和MATLAB软件实现了光谱成像系统光线追迹和性能渲染，该方法框架如图1所示，包括公差参数化模块、综合性能评估模块、灵敏度分析模块和公差调整模块。
图1、综合性能驱动的自由曲面光谱成像系统公差分析方法框架
基于提出的综合性能驱动的自由曲面光谱成像系统公差分析方法，完成了史瓦西德自由曲面光谱成像系统公差分析。公差分析结果表明主镜和三镜位置公差苛刻，因此，设计了主三镜一体化装校计算全息片，实现了宽谱段（400-1700nm）史瓦西德自由曲面光谱成像系统样机研制，如图2所示。
图2、自由曲面光谱成像系统样机研制
该工作为自由曲面光谱成像系统研制提供了指导性建议，研制的样机具有优秀的成像性能，在伪装识别应用方面做了探索性实验，如图3所示。
图3、光谱成像系统伪装识别应用
同济大学物理科学与工程学院顿雄特聘研究员为论文通讯作者，学院博士研究生邢裕杰和助理教授余俊为论文共同第一作者。对论文具有突出贡献的合作者还包括中科院上海技术物理研究所王东方研究员，同济大学物理科学与工程学院王占山教授、程鑫彬教授、博士后王绪泉、博士研究生马志远、何春伶和工程师李红梅等。
论文链接：
Yujie Xing, Jun Yu, Xuquan Wang, Hongmei Li, Zhiyuan Ma, Chunling He, Dongfang Wang, Xinbin Cheng, Zhanshan Wang, Xiong Dun. “Comprehensive performance domain tolerance analysis methodology for freeform imaging spectrometers”. Optics Express, 2024, 32(8): 14405-14419.
https://doi.org/10.1364/OE.519818
