CN108227165A - 自由曲面离轴三反成像光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种自由曲面离轴三反成像光谱仪系统，包括：一狭缝、一主反射镜、一次反射镜、一第三反射镜以及一探测器；所述主反射镜用于将物方光线反射，形成一第一反射光；所述次反射镜为光栅面，用于将第一反射光二次反射，形成一第二反射光，同时使光发生色散；所述第三反射镜用于将第二反射光再次反射，形成一第三反射光；所述探测器用于接收所述第三反射光并成像。所述主反射镜，次反射镜以及第三反射镜的反射面均为一6次多项式自由曲面；所述第一反射光的光路、第二反射光的光路与第三反射光的光路之间相互交叠，系统结构紧凑。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统设计领域，尤其涉及一种结构紧凑、体积较小的自由曲面离轴三反成像光谱仪系统。
背景技术
成像光谱仪可以用来同时进行物体成像以及光谱分析，对很多领域诸如成分识别与探测、空间遥感等有十分重要的意义。对于很多学科如天文学、生态与环境学、农学、地质学等都有不可替代的作用。一类典型的成像光谱仪是采用光栅作为色散元件。物方发来不同波长的光经过光栅色散后发生分离，最终会聚在探测器不同位置上。由于光谱仪对于像质与畸变有较为严格的要求，系统的设计难度较大。
近年来，随着先进制造技术的不断发展，自由曲面被更多的应用到了成像系统设计中。自由曲面没有回转对称性，可以为光学设计提供更多的设计自由度，有利于实现更高的像质，同时减少系统体积和元件的数量，实现更为紧凑的结构。现有的成像光谱仪大多采用球面与非球面进行设计，而且很多采用透射式结构。反射式系统本身不引入色差，且有益于实现更为紧凑的结构。而将自由曲面引入到离轴反射系统设计中，可以有效降低由于离轴非对称引入的非对称像差，同时获得更高的系统参数，具有非常重要的意义。
发明内容
有鉴于此，确有必要提供一种自由曲面离轴反射式成像光谱仪，该成像光谱仪采用离轴三反结构，系统的三个镜子(包括光栅面)均为自由曲面。系统的光路之间相互交叠，系统结构非常紧凑。系统工作在推扫模式下，即将狭缝成像在二维探测器上：探测器与狭缝平行方向对应于全视场方向，另一个维度(垂直于狭缝方向)为色散方向。
一种自由曲面离轴三反成像光谱仪系统，包括：一狭缝，该狭缝发出光线；一主反射镜，用于将所述光线反射，形成一第一反射光；一次反射镜，同时该次反射镜为一衍射光栅，其刻线方向与狭缝方向平行，该次反射镜设置在所述主反射镜的反射光路上，用于将所述第一反射光二次反射，形成一第二反射光，同时使光发生色散；一第三反射镜，该第三反射镜设置在所述次反射镜的反射光路上，用于将所述第二反射光再次反射，形成一第三反射光；以及一探测器，该探测器位于所述第三反射镜的反射光路上，用于接收所述第三反射光并成像；以所述狭缝的中心为原点定义一第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，以所述主反射镜所在的空间定义一第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，以所述次反射镜所在的空间定义一第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，以所述第三反射所在的空间定义一第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)，以所述探测器所在的空间定义一第四三维直角坐标系(x5，y5，z5)；所述主反射镜、次反射镜、以及第三反射镜的反射面均为自由曲面，且为6次xy多项式曲面；所述第一反射光的光路、第二反射光的光路与第三反射光的光路之间相互交叠。
与现有技术比较，本发明提供的自由曲面离轴三反成像光谱仪系统的三个反射面(包括光栅面)均为自由曲面。系统像质良好，畸变较小。系统内部的光路相互重叠，整个系统结构非常小巧紧凑，适合在各种便携式光谱仪以及各种分析仪器设备中应用。
附图说明
图1为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反成像光谱仪的光路示意图。
图2为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反成像光谱仪的结构与坐标系示意图。
图3为本发明实施例提供的自由曲面离轴三反成像光谱仪在不同波长下调制传递函数(MTF)曲线。
主要元件符号说明
| 自由曲面离轴三反成像光谱仪 | 100 |
| 狭缝 | 102 |
| 主反射镜 | 104 |
| 次反射镜(光栅) | 106 |
| 第三反射镜 | 108 |
| 探测器 | 110 |
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例，对本发明提供的自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100做进一步的详细说明。
请参阅图1和2，本发明实施例提供一种自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100，包括：一狭缝102、一主反射镜104、一次反射镜106、一第三反射镜108以及一探测器110。所述狭缝102为整个系统的物，发出光线；所述次反射镜106为一衍射光栅，其刻线方向与狭缝方向平行，其将狭缝102发出的光反射，并且使光发生色散；所述第三反射镜108位于次反射镜106的反射光路上；所述探测器110位于第三反射镜108的反射光路上。所述主反射镜104、次反射镜106以及第三反射镜108的反射面均为自由曲面。
所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100工作时的光路如下：狭缝102发射出的光入射到所述主反射镜104的反射面上，经该主反射镜104的反射面反射后形成一第一反射光，该第一反射光入射到所述次反射镜106的反射面上，经该次反射镜106的反射面反射并色散后形成一第二反射光，该第二反射光入射到所述第三反射镜108的反射面上，经该第三反射镜108的反射面反射后形成一第三反射光被所述探测器110接收到并成像。所述第一反射光的光路、第二反射光的光路以及第三反射光的光路之间相互交叠，进而充分利用空间，使所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100的结构紧凑，体积小。
以所述狭缝102中心为坐标原点定义一第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，通过狭缝102中心的一条水平方向的直线为z1轴，向左为负向右为正，y1轴在图2所示的平面内，垂直于z1轴向上为正向下为负，x1轴垂直于y1z1平面，垂直y1z1平面向里为正向外为负。在空间中相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，以所述主反射镜104所在的空间定义一第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，所述次反射镜106所在的空间定义一第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，所述第三反射镜108所在的空间定义一第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)，所述探测器110所在的空间定义一第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)。
所述第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0,-6.03130,35.57033)位置(单位：mm)，z2轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转19.68190度。
所述第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0,17.56509,4.19578)位置(单位：mm)，z3轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转47.74148度。
所述第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0,-18.60268,24.75125)位置(单位：mm)，z4轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向逆时针旋转113.11546度。
所述第五三维直角坐标系(x4，y4，z4)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0,36.65464,12.729123)位置(单位：mm)，z4轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转70.61275度。
系统主反射镜104、次反射镜106、第三反射镜108的面形数学描述分别是在第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)、第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)、第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)中的6次xy多项式自由曲面，其一般表达式为：
其中，z为曲面矢量高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，Ai是多项式中第i项的系数。由于所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100关于yz平面对称，因此，可以仅保留x的偶次项。本实施例中，所述主反射镜104、次反射镜106、第三反射镜108反射面的xy多项式中曲率c、二次曲面系数k以及各项系数Ai的值请分别参见表1。可以理解，曲率c、二次曲面系数k以及各项系数Ai的值也不限于表1所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表1主反射镜、次反射镜106、第三反射镜xy多项式各系数的值
所述探测器110的中心位于所述第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)的原点位置，所述探测器110的平面设置于所述第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)的x5y5平面内。
所述主反射镜104、第三反射镜108的材料不限。可选用铝、铜等金属材料，也可选用碳化硅、二氧化硅等无机非金属材料。为了增加所述主反射镜104、第三反射镜108的反射率，可在其各自的反射面镀一增反膜，该增反膜可为一金膜。
所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100的线色散为100nm/mm。
所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100的孔径光阑为次反射镜106。
所述次反射镜106为自由曲面基底的衍射光栅。刻线密度150条/mm，刻线方向为平行于x方向(垂直于y方向)，使用的衍射极次为1级。
所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100的狭缝102长度为沿着x方向4mm。
所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100的工作波长范围可见光与近红外波段，具体为450nm到950nm。
所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100的垂轴放大率为1:1。
所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100的数值孔径NA为0.14，F数为3.57。
所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100的探测器110的像元大小为18μm×18μm。
所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100的体积约为41cm3。
请参阅图3，为自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100在不同波长下的调制传递函数(MTF)曲线，从图中可以看出，各个波段下各视场MTF曲线在28线对/mm处都高于0.7，表明该自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100具有很高的成像质量。系统的最大keystone畸变与smile畸变分别为1.78μm以及1.67μm，均小于单个像元大小的10％，畸变较小。
本发明实施例提供的自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100具有以下优点：自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100相比于同轴反射光学系统具有更大的视场，相比于透射系统没有色差。所述主反射镜104、次反射镜106和第三反射镜108的反射面的面形均采用自由曲面，相对于球面或非球面系统具有更多的可控制变量，更有利于校正像差，获得更好的像质。系统的衍射光栅加工在自由曲面基底上。所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100的F数较小，数值孔径较大，可以使更多的光进入系统，使该系统具有更高的输入能量与极限分辨率。所述第一反射光的光路、第二反射光的光路以及第三反射光的光路之间相互交叠，进而充分利用空间，使所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统100的结构非常紧凑，体积小。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内做其他变化，当然，这些依据本发明精神所做的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围之内。
Claims (10)
1.一种自由曲面离轴三反成像光谱仪系统，其特征在于，包括：
一狭缝，发出光线；
一主反射镜，将狭缝发出的光线反射，形成一第一反射光；
一次反射镜，该反射镜是一个衍射光栅，该次反射镜设置在所述主反射镜的反射光路上，用于将所述第一反射光二次反射并色散，形成一第二反射光；
一第三反射镜，该第三反射镜设置在所述次反射镜的反射光路上，用于将所述第二反射光再次反射，形成一第三反射光；以及
一探测器，该探测器位于所述第三反射镜的反射光路上，用于接收所述第三反射光并成像；
以所述狭缝的中心为原点定义一第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，以所述主反射镜所在的空间定义一第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，以所述次反射镜所在的空间定义一第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，以所述第三反射镜所在的空间定义一第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)，以所述探测器所在的空间定义一第五三维直角坐标系(x5，y5，z5)；
所述系统主反射镜、次反射镜、第三反射镜的面形数学描述分别是在第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)、第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)、第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)中的6次xy多项式自由曲面；其一般表达式为：
所述系统第一反射光的光路、第二反射光的光路以及第三反射光的光路之间相互交叠。
2.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反成像光谱仪系统，其特征在于，所述第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0,-6.03130,35.57033)位置(单位：mm)，z2轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转19.68190度。
3.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反成像光谱仪系统，其特征在于，所述第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0,17.56509,4.19578)位置(单位：mm)，z3轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转47.74148度。
4.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反成像光谱仪系统，其特征在于，所述第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0,-18.60268,24.75125)位置(单位：mm)，z4轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向逆时针旋转113.11546度。
5.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反成像光谱仪系统，其特征在于，所述第五三维直角坐标系(x4，y4，z4)的原点在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0,36.65464,12.729123)位置(单位：mm)，z4轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转70.61275度。
6.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反成像光谱仪系统，其特征在于，所述的6次xy多项式的方程式一般表达式为：
其中每个曲面的曲率c、二次曲面系数k以及各项系数Ai的值分别为：
7.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反成像光谱仪系统，其特征在于，狭缝102长度为沿着x方向4mm。
8.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反成像光谱仪系统，其特征在于，所述次反射镜为系统孔径光阑，且为自由曲面基底的衍射光栅。刻线密度150条/mm，刻线方向为平行于x方向(垂直于y方向)，使用的衍射极次为1级。
9.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反成像光谱仪系统，其特征在于，所述自由曲面离轴三反成像光谱仪系统的数值孔径NA为0.14，F数为3.57。
10.如权利要求1所述的自由曲面离轴三反成像光谱仪系统，其特征在于，所述探测器的中心位于所述第四三维直角坐标系(x5，y5，z5)的原点位置，所述探测器的平面设置于所述第四三维直角坐标系(x5，y5，z5)的x5y5平面内。
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