CN112212985A - 短波红外成像光谱仪分光***以及短波红外成像光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种短波红外成像光谱仪分光***及短波红外成像光谱仪，解决现有技术中各类Offner分光***所存在的成像质量差、加工及装调难度高的问题。该分光***采用物像双侧远心光路结构，包括狭缝、短波红外探测器以及依次共轴设置且凹面均面向物侧的凸面反射光栅、负弯月透镜以及凹面反射镜；从狭缝入射的光线经凹面反射镜反射、负弯月透镜透射后，通过凸面反射光栅色散，再经负弯月透镜透射、凹面反射镜反射，被短波红外探测器接收并成像。
Description
技术领域
本发明属于光学设备技术领域，具体涉及一种短波红外成像光谱仪分光***及短波红外成像光谱仪。
背景技术
成像光谱技术是集成像与光谱探测为一体的三维信息获取技术，能够在连续的光谱段上对同一目标进行光谱成像，从而同时获得被探测目标的空间信息和光谱信息，因此成像光谱仪在航天遥感、矿物资源探测和生物医疗等方面应用广泛。按照波段不同，常用的成像光谱仪有可见光成像光谱仪、短波红外成像光谱仪、中波红外成像光谱仪和长波红外成像光谱仪。近年来，短波红外成像光谱仪越来越受到重视，是因为与中长波红外成像光谱仪相比，短波红外成像光谱仪空间分辨率更高，可以更清晰地获取目标特征；与可见光成像光谱仪相比，短波红外成像光谱仪对气溶胶、雾气和烟雾的抗干扰能力更强。
在短波红外成像光谱仪中，分光元件依然是其研究和设计的重点，通常采用的分光元件为棱镜或平面光栅。棱镜分光具有光学效率高的优点，但棱镜的色散是非线性的，且会引入额外的像差及谱线弯曲；平面光栅的色散是线性色散，但衍射效率较低且存在光谱弯曲、混叠和色畸变。
与棱镜和平面光栅分光方式相比，标准型Offner分光***的分光元件为凸面反射光栅01，参见图1，其具有结构简单紧凑、相对孔径大、分辨率高、像差校正能力强等优点；但凸面反射光栅01的引入，会使***产生像散和彗差。为提高光学***的成像质量，常用的方法是在标准型Offner分光***凸面反射光栅的前方增加一个弯月透镜03，即Offner-Wynne分光***(参见图2)，或者将标准Offner型分光***的主镜02***成两个凹面反射镜04，形成三反式Offner分光***，参见图3，进而增加***的优化自由度，达到提高光学***成像质量的目的。
Offner-Wynne分光***使得***重量增加，此外，大口径透镜元件光学装调困难，在胶接和光学定心加工过程中，极易产生微应力，使得光学元件表面波像差变大，影响光学***最终的成像质量；三反式Offner分光***虽然在体积和重量上有很大优势，但是由于反射镜***后，***由共轴光学***变为离轴光学***，会给后期光学***的装调带来很大难度。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中各类Offner分光***所存在的成像质量差、加工及装调难度高的不足之处，而提供一种短波红外成像光谱仪分光***及短波红外成像光谱仪。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种短波红外成像光谱仪分光***，其特殊之处在于，采用物像双侧远心光路结构，包括狭缝、短波红外探测器以及依次共轴设置且凹面均面向物侧的凸面反射光栅、负弯月透镜以及凹面反射镜；
从狭缝入射的光线经凹面反射镜反射、负弯月透镜透射后，通过凸面反射光栅反射，再经负弯月透镜透射、凹面反射镜反射，被短波红外探测器接收并成像。
进一步地，以所述负弯月透镜凸面的顶点为原点定义直角坐标系(x，y，z)，并取直角坐标系为右手笛卡尔坐标系，即水平向右为+Z轴，垂直纸面向里为+X轴，向上为+Y轴；
所述负弯月透镜的凸面为不对称非球面，其y方向曲率半径与x方向曲率半径之比为1.007～1.03∶1；且凸面的面型公式如下：
其中，z为负弯月透镜凸面的矢高；x、y分别表示右手笛卡尔坐标系中X轴、Y轴对应点的坐标值；CUX、CUY分别是x、y方向的曲率半径；KX、KY分别是x、y方向的二次曲面系数；AR、BR、CR、DR分别是旋转对称部分的四阶、六阶、八阶、十阶系数；AP、BP、CP、DP分别是非对称部分的四阶、六阶、八阶、十阶系数。
进一步地，为了减小光学冷加工难度，负弯月透镜的凸面采用最简单的不对称非球面形式，此时，KX、KY、AR、BR、CR、DR、AP、BP、CP、DP值均为0，所述负弯月透镜凸面的面型满足以下公式：
其中：z为负弯月透镜凸面的矢高；x、y分别表示右手笛卡尔坐标系中X轴、Y轴对应点的坐标值；CUX、CUY分别是x、y方向的曲率半径。
进一步地，为了使***在较大范围内能实现良好成像质量，具有较强实用性所述狭缝的长度为5mm～50mm；所述凸面反射光栅的光栅常数为30lp/mm～300lp/mm；所述凹面反射镜和凸面反射光栅的曲率半径之比为1.95～2.1∶1。
进一步地，所述负弯月透镜的口径与凹面反射镜口径之比为1∶2.8～3.9；所述负弯月透镜的口径与凸面反射光栅的口径之比为1.01～1.7∶1，负弯月透镜的口径由主镜大小减小到次镜大小，具有轻量、易装调优点。
进一步地，所述负弯月透镜的凹面曲率半径与凸面y方向曲率半径之比为0.81～0.89∶1；所述负弯月透镜的厚度为28.9mm～42.6mm。
进一步地，所述凸面反射光栅、负弯月透镜、凹面反射镜的材质分别为微晶、HLAF3_CDGM、微晶；微晶玻璃介于玻璃与晶体之间，具有热膨胀系数小，强度和硬度高、稳定性好的优点。
进一步地，为了使***结构跟更加紧凑，所述狭缝与凹面反射镜的距离为425.85mm；所述凹面反射镜与负弯月透镜凸面的距离为168.19mm；所述负弯月透镜凹面与凸面反射光栅之间的距离为6mm；所述凹面反射镜与短波红外探测器之间的距离为422.82mm。
进一步地，该***的F数为2～6，放大率为1，波长范围是0.9μm-1.7μm，光谱分辨率为5nm；所述短波红外探测器的微元大小为20μm，靶面阵列为320×256(6.4mm×5.12mm)、640×512(12.8mm×10.24mm)和1280×1024(25.6mm×20.48mm)，***能配合市场主流短波红外探测器使用，具有普遍适用性。
同时，本发明还提供了一种短波红外成像光谱仪，其特殊之处在于，采用上述的分光***。
本发明的优点是：
1.本发明分光***通过将负弯月透镜置于凸面反射光栅和凹面反射镜之间，在保证成像质量的同时，可有效减小负弯月透镜口径，利于透镜光学冷加工和光学定心，使得***更加紧凑且具备轻量化优势，同时该分光***认为共轴结构，使得***光学装调难度降低，并具备良好的稳定性。
2.本发明分光***中负弯月透镜较现有分光***中负弯月透镜的口径缩小了近两倍，使得透镜光学冷加工和光学定心加工的难度降低，极大提高光学装效率，利于装调出高成像质量的光学***，提高***稳定性。
3.本发明仍为共轴光学***，光学***装调难度降低，使得装调效率提高，有利于***获得更好的成像质量。
4.本发明采用物像双侧远心光路结构有利于实际应用时与前组光学***光瞳衔接，保证能量有效利用。
附图说明
图1为现有标准型Offner分光***的光路图；
图2为现有Offner-Wynne分光***的光路图；
图3为现有三反式Offner分光***的光路结构；
图1-图3中的附图标号为：
01-凸面反射光栅，02-主镜，03-弯月透镜，04-凹面反射镜；
图4为本发明短波红外成像光谱仪分光***的光路图；
图4中附图标号为：
1-凹面反射镜，2-负弯月透镜，3-凸面反射光栅；
图5为波长为1300nm时采用本发明分光***的光学***传递函数；
图6为波长为1700nm时采用本发明分光***的光学***传递函数；
图7为波长为900nm时采用本发明分光***的光学***传递函数；
图8为波长为1300nm时采用本发明分光***的光学***点列图；
图9为波长为1700nm时采用本发明分光***的光学***点列图；
图10为波长为900nm时采用本发明分光***的光学***点列图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
如图4所示，一种短波红外成像光谱仪分光***，该分光***为物像双侧远心光路结构，有利于实际应用时与前组光学***光瞳衔接，保证能量有效利用，其包括狭缝、短波红外探测器，以及依次共轴设置且凹面均面向物侧的凸面反射光栅3、负弯月透镜2以及凹面反射镜1，狭缝位于物面O，短波红外探测器位于像面I。
从狭缝入射的光线经凹面反射镜1第一次反射、负弯月透镜2第一次透射至凸面反射光栅3，经凸面反射光栅3反射后，再经负弯月透镜2二次透射、凹面反射镜1第二次反射，被短波红外探测器接收并成像；不同波长的像方成像光束在像面Ι处形成相互平行的色散谱线，实现光谱成像。
以所述负弯月透镜凸面顶点为原点定义直角坐标系(x，y，z)，并取直角坐标系为右手笛卡尔坐标系，即水平向右为+Z轴，垂直纸面向里为+X轴，向上为+Y轴；
负弯月透镜的凸面为不对称非球面，其y方向曲率半径与x方向曲率半径之比为1.007～1.03∶1；面型公式如下：
式中：z为负弯月透镜凸面的矢高；x、y分别表示右手笛卡尔坐标系中X轴、Y轴对应点的坐标值；CUX、CUY分别是x、y方向的曲率半径；KX、KY分别是x、y方向的二次曲面系数；AR、BR、CR、DR分别是旋转对称部分的四阶、六阶、八阶、十阶系数；AP、BP、CP、DP代表非对称部分的四阶、六阶、八阶、十阶系数。
狭缝与凸面反射光栅的刻线方向均沿X轴方向；且狭缝的长度为5mm～30mm；凸面反射光栅的光栅常数为30lp/mm～300lp/mm；凹面反射镜和凸面反射光栅的曲率半径之比为1.95～2.1∶1；负弯月透镜的口径与凹面反射镜口径之比为1∶2.8～3.9；负弯月透镜的口径与凸面反射光栅的口径之比为1.01～1.7∶1；负弯月透镜的凹面曲率半径与凸面y方向曲率半径之比为0.81～0.89∶1；负弯月透镜的厚度为28.9mm～42.6mm。
短波红外探测器的微元大小为20μm，靶面阵列为320×256(6.4mm×5.12mm)、640×512(12.8mm×10.24mm)和1280×1024(25.6mm×20.48mm)。
***的F数为2～6，放大率为1，波长范围是0.9μm-1.7μm，光谱分辨率为5nm。
本实施例中，为减小光学冷加工难度，负弯月透镜的凸面采用最简单的不对称非球面形式，此时，KX、KY、AR、BR、CR、DR、AP、BP、CP、DP值均为0，其关于xy多项式为下式：
分光***F数为4，放大率为1，波长范围是0.9μm-1.7μm，狭缝长度为15mm，光谱分辨率为5nm，像元尺寸为20μm。
本实施例中各光学元件的具体光学参数见表1；
表1各光学元件的光学参数(mm)
表2光谱臂光学***的谱线弯曲
表3光谱臂光学***的谱带弯曲
| 归一视场 | 0 | 0.75 | 1 |
| 最大谱带弯曲(mm) | 0.005 | 0.0056 | 0.0062 |
为了对本发明的成像效果进行验证，本发明通过图5～图10并结合光学***的谱线弯曲(参见表2)和谱带弯曲(参见表3)对该***的成像之量进行了如下分析：
1.在探测器奈奎斯特频率25lp/mm处，所有波段全视场光学传递函数均高于0.75，成像质量优良；
2.点列图中的正方形表示短波红外探测器像元实际大小(即20μm×20μm)。由图可知，各波长视场的点列斑直径均集中在一个像元内，便于后端进行光谱数据分析。
3.由表2可知，所有波段的光谱曲线最大为4.5μm，小于所用探测器半个像元尺寸(10μm)；由表3可知，谱线弯曲最大值为6.2μm，，也小于所用探测器半个像元尺寸(10μm)。
综上所述，本发明***谱线弯曲和谱带弯曲控制良好，这利于后续数据处理。
由此可见，该分光***可兼具成像质量好、加工以及装调简易的优点，满足需求，采用该分光***的短波红外成像光谱仪具有很好的发展前景，可广泛应用。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，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公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种短波红外成像光谱仪分光***，其特征在于：采用物像双侧远心光路结构，包括狭缝、短波红外探测器以及依次共轴设置且凹面均面向物侧的凸面反射光栅(3)、负弯月透镜(2)以及凹面反射镜(1)；
从狭缝入射的光线经凹面反射镜(1)反射、负弯月透镜(2)透射后，通过凸面反射光栅(3)反射，再经负弯月透镜(2)透射、凹面反射镜(1)反射，被短波红外探测器接收并成像。
2.根据权利要求1所述短波红外成像光谱仪分光***，其特征在于：
以所述负弯月透镜(2)凸面的顶点为原点定义直角坐标系(x，y，z)，并取直角坐标系为右手笛卡尔坐标系；
所述负弯月透镜(2)的凸面为不对称非球面，其y方向曲率半径与x方向曲率半径之比为1.007～1.03∶1。
3.根据权利要求2所述的短波红外光谱仪分光***，其特征在于：
所述负弯月透镜(2)凸面的面型满足以下公式：
其中：z为负弯月透镜(2)凸面的矢高；CUX、CUY分别是x、y方向的曲率半径。
4.根据权利要求2或3所述的短波红外光谱仪分光***，其特征在于：
所述狭缝的长度为5mm～50mm；
所述凸面反射光栅(3)的光栅常数为30lp/mm～300lp/mm；
所述凹面反射镜(1)和凸面反射光栅(3)的曲率半径之比为1.95～2.1∶1。
5.根据权利要求4所述的短波红外光谱仪分光***，其特征在于：
所述负弯月透镜(2)的口径与凹面反射镜(1)口径之比为1∶2.8～3.9；
所述负弯月透镜(2)的口径与凸面反射光栅(3)的口径之比为1.01～1.7∶1。
6.根据权利要求5所述的短波红外光谱仪分光***，其特征在于：所述负弯月透镜(2)的凹面曲率半径与凸面y方向曲率半径之比为0.81～0.89∶1；且负弯月透镜(2)的厚度为28.9mm～42.6mm。
7.根据权利要求6所述的短波红外光谱仪分光***，其特征在于：
所述凸面反射光栅(3)、负弯月透镜(2)、凹面反射镜(1)的材质分别为微晶、HLAF3_CDGM、微晶。
8.根据权利要求7所述的短波红外光谱仪分光***，其特征在于：
所述狭缝与凹面反射镜(1)的距离为425.85mm；
所述凹面反射镜(1)与负弯月透镜(2)凸面的距离为168.19mm；
所述负弯月透镜(2)凹面与凸面反射光栅(3)之间的距离为6mm；
所述凹面反射镜(1)与短波红外探测器之间的距离为422.82mm。
9.根据权利要求8所述的短波红外光谱仪分光***，其特征在于：该***的F数为2～6，放大率为1，波长范围是0.9μm～1.7μm，光谱分辨率为5nm；
所述短波红外探测器的微元大小为20μm，靶面阵列为320×256、640×512或1280×1024。
10.一种短波红外成像光谱仪，其特征在于：采用如权利要求1-9任一所述的分光***。
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