CN103268017B - 一种Littrow-Offner型分光成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光谱仪器的Littrow-Offner型分光成像系统，特别适用于高分辨率、窄工作波段、宽光谱维的光谱仪器中。该分光成像系统的结构为：沿光线入射方向，依次设置狭缝、平面反射镜、弯月透镜、凹面反射镜和凸面光栅；弯月透镜、凹面反射镜和凸面光栅的面型为球面，它们共轴同心，凹面反射镜和凸面光栅的半径之比是；弯月透镜弯向像面，它的凸面顶点与凸面光栅表面的最高点重合。它具有相对孔径大、分辨率高、无球差、无彗差、结构简单紧凑、成像质量好、畸变小的特点。本发明采用同心结构，不仅像质好而且加工和装调都相对容易；元件均为球面，有利于降低材料成本。

Description

一种Littrow-Offner型分光成像系统

技术领域

本发明涉及一种用于光谱仪器的分光成像系统，特别适用于拉曼光谱仪和高分辨率成像光谱仪等微弱信号光谱仪器中的分光系统。

背景技术

人们对光谱仪器的研究已经有了近一百五十年的历史，从1859年基尔霍夫和本生创造第一台光谱仪至今，光谱仪器的发展突飞猛进，已广泛应用于各个领域。近年来，随着各国经济、军事实力的增强，人们越来越关注和重视对航天、生物以及医学等领域的研究，光谱成像是随之发展起来的一种新型光学成像系统。它可以用来获取包括两维空间信息和一维光谱信息的三维图像，对于探测目标结构及其变化，具有特殊的识别能力。适用于军事、民用、陆地、海洋等卫星，可以为不同用户提供大量的遥感图像；对于军事应用能用来识别伪装、检测化武、潜艇及水下危险物体探测等；也可用于环境、生态、作物、灭害、地质、资源、大气等的分析、分类、预报评估等。

Littrow-Offner型分光成像系统为同心型光学系统，它具有结构简单紧凑、初级像差小、相对孔径大、分辨率高且成像质量好等优点，它特别适用于高分辨率、窄的工作波段、宽光谱维的光谱仪器中。该同心系统早在1977年以前就由A.Thevenon提出，直到今日才受到重视成为研究的热点，现已成功地用于可见光波段的高分辨率成像遥感光谱仪中，用于探测和分析地球静止轨道上的大气成分。然而，存在着体积大，加工要求高、难度大、成本高的不足。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单紧凑、易于加工及安装调试、稳定性高、成像质量良好、光谱分辨率高、成本低的Littrow-Offner型分光成像系统。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是提供一种Littrow-Offner型分光成像系统，其结构为：沿光线入射方向，依次设置狭缝、平面反射镜、弯月透镜、凹面反射镜和凸面光栅；所述的弯月透镜、凹面反射镜和凸面光栅的面型为球面，它们共轴同心，凹面反射镜和凸面光栅的半径之比是2∶1；所述的弯月透镜弯向像面，它的凸面顶点与凸面光栅表面的最高点重合，弯月透镜的凸面半径等于凸面光栅的半径，弯月透镜的凹面半径为它的凸面半径与厚度之差。

本发明所述的Littrow-Offner型分光成像系统的F数的取值范围为2≤F/#≤3。

本发明的一个优选方案是：所述凹面镜反射镜的曲率半径R₁的取值范围为150mm≤R₁≤220mm，所述凸面光栅的曲率半径R₂的取值范围为75mm≤R₂≤110mm；所述凸面光栅为等间距的直线槽光栅。

与现有技术相比，本发明的特点在于：光学系统相对孔径大，可实现高的空间和光谱分辨率；具有平场特性，符合平面探测器的要求；采用共轴同心结构，几何像差小，安装与调试容易；系统满足物、像方远心，像面照度均匀，成像质量好；系统结构紧凑，体积可以做到较小；同时，系统采用全球面元件，结构简单，稳定性高，且易于加工，可大大降低生产成本，适合批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的一种Littrow-Offner型分光成像系统的光学系统结构示意图；

图2是本发明实施例1提供的光学系统的光路示意图；

图3是本发明实施例1提供的光学系统的光线追迹点列图；

图4是本发明实施例1提供的光学系统的畸变网格图；

图5是本发明实施例1提供的光学系统能量集中度曲线图；

图6是本发明实施例1提供的光学系统短波的调制传递函数曲线。

图7是本发明实施例2提供的一种Littrow-Offner型分光成像系统的光学系统的光路示意图；

图8是本发明实施例2提供的光学系统的光谱分列图；

图9是本发明实施例2提供的光学系统的光线追迹点列图；

图10是本发明实施例2提供的光学系统能量集中度曲线图；

图11是本发明实施例2提供的光学系统短波的调制传递函数曲线；

其中：0、O1和O2为入射狭缝，1为凹面反射镜，2为凸面光栅，3为平面反射镜，4为接收器平面(像平面)，5为弯月透镜的凸面，6为弯月透镜的凹面，7为凸面光栅的罗兰圆，8为凹面反射镜的罗兰圆，9为光轴，10为系统的子午聚焦曲线，11为入射光线主光线，12、13和14为不同波长的成像光束像方的主光线，C点为凹面反射镜和光栅的曲率中心。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方案作进一步阐述。

实施例1

本实施例技术方案提供一种可用于拉曼成像光谱仪的Littrow-Offner型分光成像系统，系统的F数为2.4，工作波长在0.63～0.85μm的可见近红外波段。

参见附图1，它是本实施例提供的分光成像系统的结构示意图，系统由入射狭缝0、平面反射镜3、凹面反射镜1、凸面光栅2、弯月透镜的凸面5、弯月透镜的凹面6和光谱成像面4构成，7为凸面光栅2的罗兰圆，8为凹面反射镜1的罗兰圆，9是系统的光轴，C是凹面反射镜1和凸面光栅2的公共曲率中心，入射狭缝0和光谱成像面4均位于系统的子午聚焦曲线10上，11是物方的主光线。入射狭缝0为一个长为6mm宽26μm的矩形，位于通过曲率中心C且垂直于光轴的平面内，接收器平面(像平面)4也位于该平面内。

分光成像系统中，弯月透镜和凹面反射镜均为球面，光栅为凸面直线槽全息光栅，该光学系统的有关参数如下：凸面光栅2和弯月透镜凸面5的曲率半径相同为97mm，凹面反射镜的曲率半径约为它们的二倍，即为195mm，弯月透镜的凹面6小于凸面约为84mm，入射狭缝0与平面反射镜3的间距为31mm，平面反射镜3与透镜凹面6的间距为-61mm，弯月透镜厚度为-9mm，弯月透镜凸面5与凹面反射镜1的间距为-101mm，弯月透镜凸面5和凸面光栅2重合，弯月透镜的凹面6和像平面4的间距为74mm。

本实施例提供一种紧凑型分光成像系统，它基于Offner分光系统和Littrow型分光系统，包括一块平面反射镜、一块弯月透镜、一块凹面镜和一块凸面光栅；弯月透镜、凹面镜和凸面光栅三者共轴同心，弯月透镜弯向像面；系统相对孔径大，满足物、像方远心。弯月透镜凸面5与凸面光栅2的曲率半径相同，凹面反射镜1的曲率半径为它们的二倍，弯月透镜凹面6的半径略小于凸面5，为弯月透镜凸面半径与透镜的厚度之差。凸面光栅表面最高点位于光轴上，它与弯月透镜凸面顶点重合，与凹面反射镜顶点间的距离为光栅的曲率半径。凸面光栅为等间距的直线槽光栅，光栅常数为12521p/mm。本实施例所述的弯月透镜、凹面反射镜和凸面光栅元件表面均为球面，凸面其中弯月透镜与凸面光栅是加工在一起的，作为一个元件装调，玻璃材料采用BK7。

参见附图2，它是本实施例分光成像的光路示意图，沿光线传播方向，成像光束由入射狭缝0、平面反射镜3进入系统，经弯月透镜(弯月透镜的凸面5和弯月透镜的凹面6)后再经凹面反射镜1反射至凸面光栅2上，经其分光后到达凹面反射镜1，不同波长的光谱像由凹面反射镜1聚焦后再次经过弯月透镜成像在光谱成像面4上。入射光线方向主光线11平行于光轴9，形成物方远心，不同波长的成像光束的像方主光线12、13和14均平行于光轴9，形成像方远心，实现了1:1成像的同时将不同光谱的像进行了分离。

本实施例所述的分光成像系统可选用探测器为：像元大小26um×26um、像素数为256×1024的可见近红外波段的DU920PBR-DD型号的面阵探测器。

参见附图3，它是本实施例所述的光学系统的光线追迹点列图，即入射狭缝经系统成像后在像平面上的情况。图中的方框为一个探测器像元范围，即26um×26um。由图中可以看出，系统各个波长的不同视场处的点列图都能较好的落在一个探测像元内。

参见附图4，它是本实施例所述的光学系统的网格畸变图。因中网格节点为理想像点位置，十字叉表示实际像点位置，光学系统的畸变(实际像点偏离理想像点百分比)最大值为0.002%，完全满足要求。

参见附图5，它是本实施例所述的光学系统的能力集中度曲线，可以看出，系统90%以上的能量集中在单个探测器像元范围内。

参见附图6，它是本实施例所述的光学系统的调制传递函数曲线，由图可以看出，该光学系统短波在探测器的奈奎斯特频率(201p/mm)处的调制传递函数最小值大于0.79，其他波长的调制传递函数均高于此值，成像质量良好。

实施例2

本实施例提供一种可用于拉曼成像光谱仪的双狭缝Littrow-Offner型分光成像系统，系统的F数为2.0，工作波长为0.63～0.85μm与0.78～1.0μm。

本实施例提供的光学系统结构为：采用两条狭缝，使两条入射光束同时入射进入分光成像系统，其光路示意图如图7所示，两条狭缝O1与O2分别经两块平面反射镜3共用弯月透镜（5和6）、凹面反射镜1、凸面光栅2和像面4。进过系统后两条狭缝同时成像，最后两套光谱同时落在探测器上，如图8所示。

光学系统的有关参数如下：光栅和弯月透镜凸面的曲率半径相同为88mm，凹面反射镜的曲率半径为185mm，弯月透镜的凹面小于凸面约为75mm，入射狭缝与平面镜3的间距分别为40mm与60mm，平面镜3与透镜凹面6的间距为-59mm，弯月透镜厚度为-13mm，弯月透镜凸面5与凹面反射镜1的间距为-96mm，弯月透镜凸面和光栅重合，弯月透镜的凹面6和像平面的间距为74mm。

本实施例所述的分光成像系统可选用探测器为：像元大小26um×26um、像素数为256×1024的可见近红外波段的DU920PBR-DD型号的面阵探测器，光栅常数为13511p/mm，弯月透镜的材料为BK7。

图7是本实施例分光成像的光路示意图，沿光线传播方向，两束成像光束分别由入射狭缝O1与O2进入系统，经弯月透镜(弯月透镜的凸面5和弯月透镜的凹面6)后再经凹面反射镜1反射至凸面光栅2上，经其分光后到达凹面反射镜1，不同波长的光谱像由凹面反射镜1聚焦后再次经过弯月透镜成像在光谱成像面4上。实现了1:1成像的同时将不同光谱的像进行了分离，在像面4上探测到两套光谱。

图8是光谱在探测器上的分布情况，两套光谱并列在探测器上，长度为26.6mm，宽度为3mm。

图9是本实施例所述的光学系统的光线追迹点列图，即入射狭缝经系统成像后在像平面上的情况。图中的方框为一个探测器像元范围，即26um×26um。由图中可以看出，系统各个波长的不同视场处的点列图都能较好的落在一个探测像元内。

图10是本实施例所述的光学系统的网格畸变图。因中网格节点为理想像点位置，十字叉表示实际像点位置，光学系统的畸变(实际像点偏离理想像点百分比)最大值为0.04%，完全满足要求。

图11是本实施例所述的光学系统的能力集中度曲线，可以看出，系统90%以上的能量集中在单个探测器像元范围内。

Claims (3)

1.一种Littrow-Offner型分光成像系统，其特征在于：沿光线入射方向，依次设置狭缝、平面反射镜、弯月透镜、凹面反射镜和凸面光栅；所述的弯月透镜、凹面反射镜和凸面光栅的面型为球面，它们共轴同心，凹面反射镜和凸面光栅的半径之比是；所述的弯月透镜弯向像面，它的凸面顶点与凸面光栅表面的最高点重合，弯月透镜的凸面半径等于凸面光栅的半径，弯月透镜的凹面半径为它的凸面半径与厚度之差；系统的F数的取值范围为2≤F/#≤3。

2.根据权利要求1所述的一种Littrow-Offner型分光成像系统，其特征在于：所述的凹面镜反射镜的曲率半径R₁的取值范围为150mm≤R₁≤220mm，所述的凸面光栅的曲率半径R₂的取值范围为75mm≤R₂≤110mm。

3.根据权利要求1所述的一种Littrow-Offner型分光成像系统，其特征在于：所述的凸面光栅为等间距的直线槽光栅。