CN108398186A - 自由曲面Offner凸面光栅光谱成像*** - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像***，包括：狭缝、主镜、凸面反射光栅、三镜和探测器，凸面反射光栅作为***的孔径光阑；***为像方远心结构，经过狭缝的入射到主镜后发生反射，经过反射后入射到凸面光，光线在凸面光栅处发生衍射，不同波长的一级衍射光入射到三镜上，并被三镜反射后到达探测器。***采用自由曲面面形，主镜、凸面反射光栅与三镜均不存在偏心和倾斜，且主镜和三镜采用相同的面形结构，主镜和三镜构成一整块大的自由曲面反射镜，且该自由曲面反射镜和凸面反射光栅是同心配置。上述***的结构简单，避免了由于反射镜倾斜和偏心给***装调和对准带来的困难；还能有效的矫正球面Offner凸面光栅光谱***很难矫正的残余像差。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像***。
背景技术
光谱成像技术是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，它能够获得被探测目标的二维空间信息和一维光谱信息，形成数据立方体。光谱成像技术在军事侦察及农、林、水、土、矿灯资源调查等方面有着广阔的应用前景。
Offner凸面光栅光谱成像***是一种常见的光谱成像仪器，其是在反射式Offner中继成像***基础上发展起来的，由两个凹球面反射镜和一个凸球面光栅组成。然而当前Offner凸面光栅***采用球面结构，特别是在大视场、大数值孔径和宽谱段的情况下，残余像差像散很难得到矫正。另外，由于***采用了衍射光栅破坏了Offner***本身的同心结构的对称性，使得镜片发生倾斜和偏心，给***装调带来了困难。
自由曲面光学元件具有非对称结构形式，能够提供灵活的空间布局，相对球面和非球面光学元件拓展了优化自由度，提升了光学***的相差平衡能力，从而显著改善光学***的视场适应能力。在Offner凸面光栅成像光谱仪中引入自由曲面，利用其光学特性能够有效的增大光学***的视场，使得Offner成像***仍保持同心结构***，实现整个光谱单台相机即可实现高分辨率、小型化、轻量化和高稳定性的要求；同时可以改善传统球面成像光谱***的慧差、象散、谱线弯曲和谱带弯曲。将有效解决现有成像光谱***覆盖范围小，相对孔径小等问题，为机载、星载高光谱成像探测***研制奠定技术基础，具有极其重要的民用和军事应用价值。
目前主要有如下两种方案：
1)王保华等“机载轻小型高分辨率成像光谱仪光学***设计”光学学报，Vol.35,NO.10 2015.10.其采用全球面的Offner凸面光栅光谱成像***。该方案其为了提高成像质量，将offner***的主镜和三镜一分为二，且存在一定的偏心和倾斜，给***的对准和装调带来很大的困难，且光谱范围与狭缝长度较小。
2)Jacob Reimers，“Freeform spectrometer enabling increasedompactness”，Light:Science&Applications(2017)6,e17026。该设计虽然也采用了自由曲面，能够更好的矫正残余像差，且设计得到的光谱成像***的体积比传统球面Offner光谱成像***缩小了5倍。但狭缝长度较短仅为10mm，光谱范围较窄，且主镜和三镜分开，元件存在偏心和倾斜，给***装调带来困难。
发明内容
本发明的目的是提供一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像***，能够实现长狭缝、高数值孔径和宽谱段范围的情况下，***的像差相对球面***有显著的提高。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像***，包括：狭缝、主镜、凸面反射光栅、三镜和探测器，其中，凸面反射光栅作为整个***的孔径光阑；
***为像方远心结构，经过狭缝的入射到主镜后发生反射，经过反射后入射到凸面光，光线在凸面光栅处发生衍射，不同波长的一级衍射光入射到三镜上，并被三镜反射后到达探测器。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用自由曲面面形，这样***的结构十分简单，避免了由于反射镜倾斜和偏心给***装调和对准带来的困难；还能有效的矫正球面Offner凸面光栅光谱***很难矫正的残余像差。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像***的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的***在200nm的调制传递函数MTF的结果；
图3为本发明实施例提供的***在800nm的调制传递函数MTF的结果；
图4为本发明实施例提供的***在1000nm的调制传递函数MTF的结果；
图5为本发明实施例提供的***在1500nm的调制传递函数MTF的结果。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，为本发明实施例提供一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像***的结构示意图；其主要包括：狭缝、主镜、凸面反射光栅、三镜和探测器。图1中，101-狭缝、102-主镜、103-凸面反射光栅、104-三镜、105-探测器。
***中凸面反射光栅作为整个***的孔径光阑；***为像方远心结构，经过狭缝的入射到主镜后发生反射，经过反射后入射到凸面光，光线在凸面光栅处发生衍射，不同波长的一级衍射光入射到三镜上，并被三镜反射后到达探测器。
本发明实施例中，所述主镜、凸面反射光栅与三镜的面形结构不再是球面，而是采用自由曲面面型表达；自由曲面方程表达为XY多项式、Zernike多项式或者Q-type多项式；其中：
XY多项式表达式如下：
其中，r为曲率半径，z是矢高，x,y为曲面上点的空间坐标，c为曲率，k为曲面二次系数，cj为对应多项式的系数；
Zernike多项式表达式为：
其中，z是矢高，x,y为曲面上点的空间坐标,k为曲面二次系数,Ci为对应多项式的系数，Zi是第i个Zernike项；
Q-type多项式表达式为：
其中，z是矢高，cbfs是最佳拟合面的曲率，R是径向距离，rn是归一化半径，参数u＝R/rn，κ是最佳拟合面的圆锥常数，al是第l阶Qbfs多项式的系数，Ql bfs是第l阶Qbfs多项式。
本发明实施例中，主镜、凸面反射光栅与三镜均不存在偏心和倾斜，且主镜和三镜采用完全相同的面形结构，主镜和三镜构成一整块大的自由曲面反射镜，且该自由曲面反射镜和凸面反射光栅是同心配置。这样***的结构十分简单，避免了由于反射镜倾斜和偏心给***装调和对准带来的困难。
本发明实施例提供的上述***，采用自由曲面面形，这样***的结构十分简单，避免了由于反射镜倾斜和偏心给***装调和对准带来的困难；还能有效的矫正球面Offner凸面光栅光谱***很难矫正的残余像差。
本发明实施例提供一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像***，为覆盖深紫外、可见光到近红外的成像光谱***，将常见的Offner光谱成像技术球面反射镜和光栅采用自由曲面替代，实现两块反射镜和凸面光栅的同心设计，避免了反射镜存在偏心倾斜给***装调带来的困难，另外更好的矫正了传统球面***矫正不了的残余像差。本发明提供的***实现光谱范围达到200-1500nm，覆盖深紫外、可见光到近红外波段，狭缝长度30mm，F数为3.8。下面提供一个仿真的实例：
设计实例的***一阶参数为：光谱范围达到200-1500nm，覆盖深紫外、可见光到近红外波段，狭缝长度30mm，F数为3.8，像元大小为16μm，凸面反射光栅线对数的为150lines/mm。***在200nm，800nm，1000nm和1500nm的调制传递函数MTF的结果分别对应图2～图5。在截止频率32lines/mm时，所有视场的传递函数均接近衍射极限。且全***所有波长的最大谱线弯曲和色畸变均小于1微米。
光学***的参数表1～表3所示：
表1***参数
| ZP1 | ZP2 | ZP3 | ZP4 | ZP5 | ZP6 |
| -4.98079 | 3.02205e-005 | -0.034777 | -8.58955e-005 | -0.000326955 | 3.16670e-007 |
| ZP7 | ZP8 | ZP9 | ZP10 | ZP11 | ZP12 |
| -8.3489e-008 | -9.52e-008 | -5.68715e-007 | 3.02808e-007 | -2.66883e-009 | 1.84147e-009 |
| ZP13 | ZP14 | ZP15 | ZP16 | ZP17 | ZP18 |
| -5.7374e-009 | 9.78447e-012 | 4.28933e-010 | 4.07408e-012 | -2.26415e-012 | -2.70083e-012 |
| ZP19 | ZP20 | ZP21 | ZP22 | ZP23 | ZP24 |
| -1.9767e-011 | 1.08068e-011 | -3.04047e-012 | -4.57434e-014 | 3.68751e-014 | -2.05097e-014 |
| ZP25 | ZP26 | ZP27 | ZP28 | ZP29 | ZP30 |
| -8.066e-014 | 3.44592e-016 | -2.0572e-014 | 3.46181e-014 | 3.7070e-019 | 1.01334e-017 |
表2主镜/三镜Zernike多项式系数
| ZP1 | ZP2 | ZP3 | ZP4 | ZP5 | ZP6 |
| -5.68 | 8.36839e-005 | -0.06466 | -0.00024 | -7.69334e-005 | 4.51026e-006 |
| ZP7 | ZP8 | ZP9 | ZP10 | ZP11 | ZP12 |
| -3.156e-006 | -1.63338e-006 | -9.1934e-006 | 6.6617e-006 | -3.40015e-008 | 3.45266e-008 |
| ZP13 | ZP14 | ZP15 | ZP16 | ZP17 | ZP18 |
| -5.1983e-008 | 4.29867e-009 | -2.59823e-008 | -1.68778e-010 | -2.33784e-010 | 1.83266e-010 |
| ZP19 | ZP20 | ZP21 | ZP22 | ZP23 | ZP24 |
| 6.6607e-011 | 1.32048e-010 | 5.14843e-010 | -2.58029e-011 | -2.0609e-012 | 2.44456e-012 |
| ZP25 | ZP26 | ZP27 | ZP28 | ZP29 | ZP30 |
| 1.5797e-011 | 1.86498e-011 | 2.62423e-011 | -2.13928e-011 | -4.05316e-014 | -9.8890e-013 |
表3凸面光栅Zernike多项式系数
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像***，其特征在于，包括：狭缝、主镜、凸面反射光栅、三镜和探测器，其中，凸面反射光栅作为整个***的孔径光阑；
***为像方远心结构，经过狭缝的入射到主镜后发生反射，经过反射后入射到凸面光，光线在凸面光栅处发生衍射，不同波长的一级衍射光入射到三镜上，并被三镜反射后到达探测器。
2.根据权利要求1所述的一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像***，其特征在于，所述主镜、凸面反射光栅与三镜均采用自由曲面面型表达；自由曲面方程表达为XY多项式、Zernike多项式或者Q-type多项式；其中：
XY多项式表达式如下：
其中，r为曲率半径，z是矢高，x,y为曲面上点的空间坐标，c为曲率，k为曲面二次系数，cj为对应多项式的系数；
Zernike多项式表达式为：
其中，Ci为对应多项式的系数，Zi是第i个Zernike项；
Q-type多项式表达式为：
其中，z是矢高，cbfs是最佳拟合面的曲率，R是径向距离，rn是归一化半径，参数u＝R/rn，κ是最佳拟合面的圆锥常数，al是第l阶Qbfs多项式的系数，Ql bfs是第l阶Qbfs多项式。
3.根据权利要求1或2所述的一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像***，其特征在于，主镜、凸面反射光栅与三镜均不存在偏心和倾斜，且主镜和三镜采用完全相同的面形结构，主镜和三镜构成一整块大的自由曲面反射镜，且该自由曲面反射镜和凸面反射光栅是同心配置。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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