CN104019893B

CN104019893B - Offner结构成像光谱仪

Info

Publication number: CN104019893B
Application number: CN201410211928.4A
Authority: CN
Inventors: 黄元申; 韩姗; 隋峰; 李柏承; 徐邦联
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2014-05-20
Filing date: 2014-05-20
Publication date: 2016-12-07
Anticipated expiration: 2034-05-20
Also published as: CN104019893A

Abstract

本发明提供一种Offner结构成像光谱仪，其特征在于，包括：前置接收光学单元；分光单元；以及探测单元，其中，分光单元包括：入射狭缝；第一椭球凹面反射镜；椭球凸面光栅；第二椭球凹面反射镜，第一椭球凹面反射镜、第二椭球凹面反射镜和椭球凸面光栅共焦，具有相同的焦点和光轴，第一椭球凹面反射镜和第二椭球凹面反射镜分别处在垂直长轴方向的主平面两侧，椭球凸面光栅分布在垂直长轴方向的主平面两侧，第二椭球面短半轴长为入射狭缝在光轴方向到第一椭球凹面反射镜投射距离的一半；入射狭缝和探测单元分别放置于两个焦点附近。本发明的Offner结构成像光谱仪能够消除各个方向的像差，从而提高成像质量。

Description

Offner结构成像光谱仪

技术领域

本发明涉及一种Offner结构成像光谱仪，属于光谱仪器领域。

背景技术

成像光谱仪是一种能同时采集地物形貌特征和光谱特征的光学遥感仪器，具有图谱合一性。在各类型成像光谱仪中，Offner结构成像光谱仪，即凸面光栅成像光谱仪，具有结构紧凑、固有像差小、光能利用率高、成像质量好和分辨率高等优点，而受到广泛关注，并已成功用于国外多颗遥感器。

现有Offner结构成像光谱仪的分光结构普遍采用基于罗兰圆离轴三反射结构，即由两个凹球面反射镜和一个凸球面光栅组成,凸球面光栅位于两个凹面反射镜之间,所有反射球面的球心均位于同一点。

从物面发出的光经第一个凹球面反射镜反射后，被凸球面光栅分光得到单色衍射光，单色衍射光被第二个凹球面反射镜反射聚焦于像面。除了子午面上不同角度出射的光线与经过主轴的主光线具有相同的光程差；其他平面上不同角度入射的光线与主光线的光程差都不相同。因此，罗兰圆离轴三反射的分光结构只能保证在子午面出射的光线与经过主轴的主光线具有相同的光程差，只能消除子午像差，并不能同时兼顾其他像差的影响，成像质量还是比较差。

发明内容

本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种能够提高成像质量的Offner结构成像光谱仪。

本发明为了实现上述目的，采用了以下结构。

本发明提供一种Offner结构成像光谱仪，其特征在于，包括：用于收集目标物信号光的前置接收光学单元；位于前置接收光学单元上方的分光单元；以及用于接收经分光单元处理的信号光，并对目标物进行光谱成像的探测单元，

其中，分光单元包括：用于让信号光进入分光单元的入射狭缝；用于改变信号光路径得到反射光的第一椭球凹面反射镜；用于接收反射光进行分光得到衍射光的椭球凸面光栅；用于对衍射光进行反射聚焦的第二椭球凹面反射镜，

第一椭球凹面反射镜、第二椭球凹面反射镜处在第一虚拟椭球面上，椭球凸面光栅处在第二虚拟椭球面上，第一虚拟椭球面和第二虚拟椭球面为共焦系统，具有相同的两个焦点、光轴和主平面，

第一椭球凹面反射镜和第二椭球凹面反射镜分别处在共焦系统垂直长轴方向的主平面两侧，椭球凸面光栅分布在共焦系统垂直长轴方向的主平面两侧，

第二椭球凹面反射镜的短半轴长为入射狭缝在光轴方向到第一椭球凹面反射镜投射距离的一半；

入射狭缝位于第一椭球凹面反射镜下方，并处在其中一个焦点附近，前置接收光学单元和第一椭球凹面反射镜分别位于入射狭缝两侧，探测单元位于第二椭球凹面反射镜下方，并处在另一个焦点附近。

另外，在本发明的Offner结构成像光谱仪中，还可以具有这样的特征：其中，入射狭缝位于第一椭球凹面反射镜下方，并处在其中一个焦点上；探测单元位于第二椭球凹面反射镜下方；利用光学设计软件对Offner结构成像光谱仪进行光路仿真，得到最佳成像面，并将探测单元置于最佳成像面处。

另外，在本发明的Offner结构成像光谱仪中，还可以具有这样的特征：其中，利用光学设计软件对Offner结构成像光谱仪进行光路仿真，并优化元件结构参数，得出最佳元件结构参数，按最佳元件结构参数装调Offner结构成像光谱仪。

另外，在本发明的Offner结构成像光谱仪中，还可以具有这样的特征：其中，椭球凸面光栅的刻划线数为100/mm。

另外，在本发明的Offner结构成像光谱仪中，还可以具有这样的特征：其中，探测单元为面阵探测器。

发明作用与效果

根据本发明的一种Offner结构成像光谱仪，因为采用第一椭球凹面反射镜和第二椭球凹面反射镜代替两个凹球面反射镜，椭球凸面光栅代替球形凸面光栅，且第二椭球面短半轴长为入射狭缝在光轴方向到第一椭球凹面反射镜投射距离的一半，所以从一个焦点进入的任何角度光线都能到达另外一个焦点，而且这些光线都与主光线具有相同的光程差；因此将入射狭缝放在一个焦点附近透进光线，面阵探测器放在另一个焦点附近，得到各个方向像差都被消除的光谱图像，从而提高成像质量。

附图说明

图1是本发明涉及的Offner结构成像光谱仪在实施例1中的光路示意图；

图2是本发明涉及的Offner结构成像光谱仪在实施例2中的仿真光谱成像示意图；以及

图3是本发明涉及的Offner结构成像光谱仪在实施例3中的仿真光谱成像示意图。

具体实施方式

以下参照附图对本发明所涉及的Offner结构成像光谱仪做详细阐述。

<实施例1>

图1是本发明涉及的Offner结构成像光谱仪在实施例1中的光路示意图。

如图1所示，Offner结构成像光谱仪10具有入射狭缝1、第一椭球凹面反射镜2、椭球凸面光栅3、第二椭球凹面反射镜4、面阵探测器5、以及前置接收光学单元6。

取相同焦点，且焦半距c都为40mm的第一虚拟椭球面和第二虚拟椭球面，并且使得第一虚拟椭球面的短半轴为120.84mm，第二虚拟椭球面的短半轴为50mm。将顶点曲率半径都为120.84mm的第一椭球凹面反射镜2和第二椭球凹面反射镜4放置在第一虚拟椭球面上，并对称分布在垂直长轴方向的主平面两侧。将刻划线数为100/mm的椭球凸面光栅3放置的第二虚拟椭球面上。并且使得椭球凸面光栅3左右两部分关于垂直长轴方向的主平面对称。

将入射狭缝1放置在其中一个焦点上，则入射狭缝1到第一虚拟椭球面上的投射距离为100mm，等于第二虚拟椭球面短半轴的两倍。将面阵探测器6置于另一个焦点处。将前置接收光学单元6放在入射狭缝1的正下方，并且使得前置接收光学单元6的出射光线通过入射狭缝1。

前置接收光学单元6收集目标物信号光。信号光通过入射狭缝1，被第一椭球凹面反射镜2反射。反射光达到椭球凸面光栅3后，被椭球凸面光栅3分光得到衍射光。衍射光被第二椭球凹面反射镜4反射聚焦。面阵探测器5接受反射聚焦的衍射光，并得到目标物的光谱图像。实施例作用与效果

根据本实施例的Offner结构成像光谱仪，因为采用第一椭球凹面反射镜和第二椭球凹面反射镜代替两个凹球面反射镜，椭球凸面光栅代替球形凸面光栅，且第二椭球面短半轴长为入射狭缝在光轴方向到第一椭球凹面反射镜投射距离的一半，所以从一个焦点进入的任何角度光线都能到达另外一个焦点，而且这些光线都与主光线具有相同的光程差；因此将入射狭缝放在一个焦点附近透进光线，面阵探测器放在另一个焦点附近，得到各个方向像差都被消除的光谱图像，从而提高成像质量。

<实施例2>

图2是本发明涉及的Offner结构成像光谱仪在实施例2中的仿真光谱成像示意图。

如图2所示，Offner结构成像光谱仪20具有入射狭缝7、第一椭球凹面反射镜8、椭球凸面光栅9、第二椭球凹面反射镜11、面阵探测器12、以及前置接收光学单元(图中未显示)。

Offner结构成像光谱仪20的装调过程如下：取相同焦点，且焦半距c都为40mm的第一虚拟椭球面和第二虚拟椭球面，并且使得第一虚拟椭球面的短半轴为120.84mm，第二虚拟椭球面的短半轴为50mm。将顶点曲率半径都为120.84mm的第一椭球凹面反射镜8和第二椭球凹面反射镜11放置在第一虚拟椭球面上，并对称分布在垂直长轴方向的主平面两侧。将刻划线数为100/mm的椭球凸面光栅9放置的第二虚拟椭球面上。并且使得椭球凸面光栅9左右两部分关于垂直长轴方向的主平面对称。

将入射狭缝7放置在其中一个焦点上，则入射狭缝7到第一虚拟椭球面上的投射距离为100mm，等于第二虚拟椭球面短半轴的两倍。将前置接收光学单元放在入射狭缝7的正下方，并且使得前置接收光学单元的出射光线通过入射狭缝7。

利用光学设计软件codev对上述Offner结构成像光谱仪20进行光路仿真，确定最佳成像面。具体过程如下。

在codev软件中输入初始结构参数：第一椭球凹面反射镜2的近轴顶点曲率半径120.84mm、第一椭球凹面反射镜8的近轴顶点曲率半径120.84mm、椭球凸面光栅9顶点处的曲率半径50mm、入射狭缝7在光轴方向到第一椭球凹面反射镜8的距离100mm、第一椭球凹面反射镜8和第二椭球凹面反射镜11在光轴方向上到椭球凸面光栅9的距离50mm、第二椭球凹面反射镜11在光轴方向到面阵探测器12的距离100mm。可以得到仿真光谱图像以及对应波长的均方根RMS值。

如图2所示，信号光通过入射狭缝7，被第一椭球凹面反射镜8反射。反射光达到椭球凸面光栅9后，被椭球凸面光栅9分光得到衍射光。衍射光被第二椭球凹面反射镜11反射聚焦。

表1实施例2中光谱图像对应波长的RMS值

Wavelength(nm)	400	700	1000	1300	1600
						RMS(μm)	167.9	141.8	143.8	163.3	189.3

从图中可知，最佳成像面位于另一个焦点附近，且在光轴方向到第二椭球凹面反射镜11的距离为136.5mm。将面阵探测器12置于最佳成像面处，可以得到目标物的光谱图像。

将光谱图像对应波长的均方根值的分布情况列于表1。从表1可以看出，均方根值在200μm以内；而现有的Offner结构成像光谱仪的均方根值一般是mm量级。均方根值越小，说明Offner结构成像光谱仪20的成像质量更好。因此，本发明的Offner结构成像光谱仪20具有更高的成像质量。

实施例作用与效果

另外，由于通过光学设计软件进行光路仿真，分析光谱图像时发现，在400至1600nm光谱范围都能得到质量较好的图像，而传统的Offner结构成像光谱仪只能在400至1000nm光谱范围内得到质量较好的图像，因此本发明的Offner结构成像光谱仪能够适用于宽光谱范围。

<实施例3>

如图3所示，Offner结构成像光谱仪30具有入射狭缝13、第一椭球凹面反射镜14、椭球凸面光栅15、第二椭球凹面反射镜16、面阵探测器17、以及前置接收光学单元(图中未显示)。

利用codev软件对Offner结构成像光谱仪20的仿真结果进行元件结构优化，并按照优化结构参数调整各元件的位置，能够得到的Offner结构成像光谱仪30，并对Offner结构成像光谱仪30进行光路仿真。具体过程如下。

将实施例2中的初始结构参数输入光学设计软件codev进行仿真优化，得到最佳结构参数：第一椭球凹面反射镜14近轴顶点处的曲率半径为113.84mm。第二椭球凹面反射镜16近轴顶点处的曲率半径为121.11mm，近轴顶点处的曲率半径为66.68mm。入射狭缝13在光轴方向到第一椭球凹面反射镜14的距离为119.16mm。第一椭球凹面反射镜14和第二椭球凹面反射镜16在光轴方向上到椭球凸面光栅15的距离为58.35mm。第二椭球凹面反射镜16在光轴方向到面阵探测器17的距离为112.91mm。

根据上述最佳结构参数调整Offner结构成像光谱仪20中各元件的位置，得到Offner结构成像光谱仪30。

将上述最佳结构参数输入codev软件进行仿真模拟，能够得到经过优化处理后的仿真光谱图像以及对应波长的均方根RMS值。

如图3所示，信号光通过入射狭缝13，被第一椭球凹面反射镜14反射。反射光达到椭球凸面光栅15后，被椭球凸面光栅15分光得到衍射光。衍射光被第二椭球凹面反射镜16反射聚焦。面阵探测器17接受反射聚焦的衍射光，并得到目标物的光谱图像。

将光谱图像对应波长的均方根值的分布情况列于表2。从表2可以看出，均方根值在10μm以内；而现有的Offner结构成像光谱仪的均方根值一般是mm量级。均方根值越小，说明Offner结构成像光谱仪30的成像质量更好。因此，本发明的Offner结构成像光谱仪30具有更高的成像质量。

表2实施例3中光谱图像对应波长的RMS值

Wavelength(nm)	400	700	1000	1300	1600
						RMS(μm)	9.4	4.5	2.0	3.2	5.4

实施例作用与效果

另外，由于通过光学设计软件进行光路仿真，分析光谱图像时发现，在400至1600nm光谱范围都能得到质量较好的图像，而传统的Offner结构成像光谱仪只能在400至1000nm光谱范围内得到质量较好的图像，因此本发明的Offner结构成像光谱仪能够适用于宽光谱范围。实施例作用与效果

当然，本发明涉及的Offner结构成像光谱仪并不仅仅限定于在以上实施例中的结构。各元件的结构参数还可以根据实际情况调整。

Claims

1.一种Offner结构成像光谱仪，其特征在于，包括：

用于收集目标物信号光的前置接收光学单元；

位于所述前置接收光学单元上方的分光单元；以及

用于接收经分光单元处理的所述信号光，并对所述目标物进行光谱成像的探测单元，

其中，所述分光单元包括：用于让所述信号光进入所述分光单元的入射狭缝；用于改变所述信号光路径得到反射光的第一椭球凹面反射镜；用于接收所述反射光进行分光得到衍射光的椭球凸面光栅；用于对所述衍射光进行反射聚焦的第二椭球凹面反射镜，

所述第一椭球凹面反射镜、所述第二椭球凹面反射镜处在第一虚拟椭球面上，所述椭球凸面光栅处在第二虚拟椭球面上，所述第一椭球凹面反射镜、所述第二椭球凹面反射镜和所述椭球凸面光栅的大小仅仅占整个虚拟椭球面的一小部分，所述第一虚拟椭球面和所述第二虚拟椭球面为共焦系统，具有相同的两个焦点、重叠的长轴和重叠的短轴、相同的光轴和主平面，光轴就是椭圆的短轴，主平面就是入射光线与光轴所构成的平面，

所述第一椭球凹面反射镜和所述第二椭球凹面反射镜分别处在所述共焦系统过椭球中心且垂直长轴的平面的两侧，所述椭球凸面光栅对称分布在所述共焦系统过椭球中心且垂直长轴的平面的两侧；

所述椭球凸面光栅所处的所述第二虚拟椭球的短半轴长为在主平面内光线从所述入射狭缝沿平行于光轴方向到所述第一椭球凹面反射镜投射距离的一半；

所述入射狭缝位于所述第一椭球凹面反射镜下方，并处在其中一个焦点附近，所述前置接收光学单元和所述第一椭球凹面反射镜分别位于所述入射狭缝两侧，所述探测单元位于所述第二椭球凹面反射镜下方，并处在另一个焦点附近。

2.根据权利要求1所述的Offner结构成像光谱仪，其特征在于：

其中，所述入射狭缝位于所述第一椭球凹面反射镜下方，并处在其中一个焦点上；所述探测单元位于所述第二椭球凹面反射镜下方；利用光学设计软件对所述Offner结构成像光谱仪进行光路仿真，得到最佳成像面，并将所述探测单元置于所述最佳成像面处。

3.根据权利要求1所述的Offner结构成像光谱仪，其特征在于：

其中，利用所述光学设计软件对所述Offner结构成像光谱仪进行光路仿真，并优化元件结构参数，得出最佳元件结构参数，按所述最佳元件结构参数装调所述Offner结构成像光谱仪。

4.根据权利要求1所述的Offner结构成像光谱仪，其特征在于：

其中，所述椭球凸面光栅的刻划线数为100/mm。

5.根据权利要求1所述的Offner结构成像光谱仪，其特征在于：

其中，所述探测单元为面阵探测器。