CN109781261B - 紧凑型折反式无热化成像光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种紧凑型折反式无热化成像光谱仪。从狭缝入射的远心光线，由物方棱镜折叠或折射进入平凸透镜；经平凸透镜和弯月透镜折射及厚折反镜折反射后，以会聚光束的形式入射到凸面光栅上，衍射后实现光谱分光；发散光束依次通过厚折反镜折反，弯月透镜和平凸透镜折射，进入像方棱镜；经折叠或折射并滤光后，成像于焦平面，实现光谱成像。本发明采用基于Offner装置的全浸没的折反式光路，结构紧凑，并大大提高成像光谱仪的相对孔径；采用高折射率的弯月透镜，实现长狭缝的光谱成像；各折射元件材料热膨胀系数经优选，使成像光谱仪在大温度范围内像质稳定，实现无热化；适用于大视场，高信噪比，高温度适性应要求的高光谱遥感应用。

Description

紧凑型折反式无热化成像光谱仪
技术领域
本发明涉及一种适用于大视场，高信噪比，高温度适性应要求的紧凑型折反式无热化成像光谱仪，属于光谱成像技术领域。
技术背景
光谱成像技术是综合了光谱分光技术和空间成像技术的新兴领域，它极大地拓宽了人们在航天遥感领域、农林资源探测、矿物资源与地质勘探、军事侦探等方面的应用范围。
传统的色散型成像光谱仪结构形式主要有：平面光栅C-T型，凸面光栅Offner型、凹面光栅Dyson型等。这些结构形式的光谱仪在中短狭缝和中等相对孔径时有较好的性能，但在长狭缝和大相对孔径的情况下，存在较大的像差，光谱图像易失真，并且仪器尺寸随狭缝增长和相对孔径增大而急剧增大。另外，传统折反式成像光谱仪，如Dyson型成像光谱仪，成像质量通常受温度影响较大，需要严格的温控系统来保证它的像质稳定。
应用于高光谱遥感领域的成像光谱仪一般对仪器的重量、体积等几何物理参数要求较高，过大的体积和重量导致仪器的生产、制造、发射等成本急剧增加。削减制冷设备能极大的减小平台的负载压力，这也对成像光谱仪的温度适应性提出了更高的要求，要求其能在较大的温度范围内保持稳定的像质。
现有文献所报道的成像光谱仪中，大相对孔径、长狭缝和结构紧凑通常无法同时满足。参见文献“小型Offner光谱成像系统的设计”（ [J].光学·精密工程, 2005, 13(6):650）和 “Offner成像光谱仪的设计方法”（ [J].光学学报, 2010 (4): 1148-1152），报道了传统中短狭缝凸面光栅Offner装置，为全反射结构，狭缝长度不足20mm；文献“红外成像光谱测量中Dyson光学系统的研究进展”（ [J].光谱学与光谱分析, 2012, 32(2): 548-552）中的凹面光栅Dyson装置为折反式成像光谱仪，能够获得大相对孔径，但狭缝较短，很难长达20mm以上，并且这种光谱仪性能受温度变化影响很大；中国发明专利CN102183304B“一种柱面消像散光栅色散性成像光谱仪光路结构”和文献“星载车尔尼-特纳型成像光谱仪像差校正的研究”（ [J].光学学报, 2009, 29(1): 35-40）中公开的平面光栅Czerny-Turner装置，也为全反射结构，但它狭缝长度很短，且相对孔径较小，无法满足大视场高信噪比的高光谱遥感应用需求。因此，亟需提供一种大相对孔径，长狭缝，紧凑型且无热化的成像光谱仪，以满足高光谱遥感应用中对仪器小型化、大幅宽、高空间分辨率、高信噪比、温度适应性强的需求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种具有大相对孔径、长狭缝、成像质量好、结构紧凑、温度适应性强等特点，能满足大幅宽、高信噪比、小型化、无热化要求的高光谱遥感用成像光谱仪。
为实现上述发明目的技术方案是提供一种紧凑型折反式无热化成像光谱仪，它包括入射狭缝，物方棱镜，平凸透镜，弯月透镜，厚折反镜，凸面光栅，像方棱镜，滤光片和焦平面；物方棱镜的出射平面与平凸透镜的平面胶合；平凸透镜的凸面与弯月透镜的凹表面胶合；弯月透镜的凸表面与厚折反镜的凹表面胶合；凸面光栅直接刻在弯月镜的凸表面或平凸透镜的凸表面上；像方棱镜的入射平面与平凸透镜的平面胶合；
远心光线从狭缝入射，由物方棱镜折叠或折射进入平凸透镜；经平凸透镜和弯月透镜折射，厚折反镜折反射后，以会聚光束的形式入射到凸面光栅上；所述的会聚光束经过凸面光栅衍射后实现光谱分光；分光后得到的发散光束依次通过厚折反镜折反，弯月透镜和平凸透镜折射，进入像方棱镜；所述光束经棱镜折叠或折射，经滤光片滤光后，成像于焦平面，实现光谱成像；
所述的弯月透镜的折射率大于平凸透镜和厚折反镜的折射率；所述的平凸透镜的材料热膨胀系数α 1，弯月透镜的材料热膨胀系数α 2和厚折反镜的材料热膨胀系数α 3相等，或满足：
α 3=a×α 1+b×α 2，
其中，a和b为比例系数，a的取值范围为0.4～0.6，b的取值范围为0.4～0.6。
本发明所述的一种紧凑型折反式无热化成像光谱仪，其物方棱镜，平凸透镜和像方棱镜为同种材料。
物方棱镜与像方棱镜对应，为折叠棱镜或直方棱镜。
平凸透镜，弯月透镜，厚折反镜和凸面光栅同光轴。
弯月透镜凹表面与凸表面曲率半径之比为0.75～0.95。
厚折反镜凹表面与凸表面曲率半径之比为0.45～0.55。
凸面光栅为直线槽刻划光栅或曲线槽全息光栅。
成像光谱仪系统F数范围为1.5～5。
成像光谱仪在狭缝方向的宽度小于狭缝长度的两倍。
本发明的原理是：采用基于Offner装置的全浸没的折反式光路，结构紧凑，并大大提高成像光谱仪的相对孔径；采用高折射率的弯月透镜，改善传统Offner光谱仪像散随狭缝增长而急剧增大的问题，实现长狭缝的光谱成像；各折射元件材料热膨胀系数经优选，使成像光谱仪在大温度范围内像质稳定，实现无热化；适用于大视场，高信噪比，高温度适性应要求的高光谱遥感应用。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1.本发明提供的成像光谱仪狭缝长，能够获取大幅宽、高空间分辨率高光谱遥感图像，且光谱图像相差小，保真度高。
2.相对孔径大，成像光谱仪集光能力强，具有高信噪比，拍摄的光谱图像噪声小，对比度高。
3.采用全浸没的折反式结构，系统十分紧凑，大大减小生产研制成本。且成像光谱仪在狭缝方向的宽度小于狭缝长度的两倍，这是多台光谱仪拼接的条件，能够实现视场拼接以满足超大幅宽需求的应用。
4.光学元件所用材料对热膨胀系数优选过，系统无热化，能够在大的温度范围内保持像质稳定。
5.成像光谱仪系统由光学元件胶合而成，无机械部件，这种集成化、模块化的组件装调和使用十分方便，可在单组件基础上拓展应用。
附图说明
图1是本发明实施例提供的紧凑型折返式无热化成像光谱仪的光路主视图；
图2是本发明实施例提供的紧凑型折返式无热化成像光谱仪的光路俯视图；
图3是本发明实施例提供的紧凑型折返式无热化成像光谱仪在-40℃时的MTF曲线；
图4是本发明实施例提供的紧凑型折返式无热化成像光谱仪在20℃时的MTF曲线；
图5是本发明实施例提供的紧凑型折返式无热化成像光谱仪在80℃时的MTF曲线；
图6是本发明实施例提供的紧凑型折返式无热化成像光谱仪物方光路和像方光路未折叠时的光学系统；
图7是本发明实施例提供的紧凑型折返式无热化成像光谱仪光栅位于平凸透镜凸面时的光学系统；
图中，1、入射远心光线；2、狭缝；3、物方棱镜；3.1、物方棱镜入射面；3.2、物方棱镜反射面；3.3、物方棱镜出射面；4、平凸透镜；4.1、平凸透镜平面；4.2、平凸透镜凸表面；5、弯月透镜；5.1、弯月透镜凹表面；5.2、弯月透镜凸表面；6、厚折反镜；6.1、厚折反镜凹表面；6.2、厚折反镜凸表面；7、凸面光栅；8、像方棱镜；8.1、像方棱镜入射面；8.2、像方棱镜反射面；8.3、像方棱镜出射面；9、滤光片；10、焦平面；11、光轴。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步描述。
实施例1
参见附图1和2，它们分别为本实施例提供的紧凑型折返式无热化成像光谱仪的光路主视图和光路俯视图；成像光谱仪包括入射狭缝2，物方棱镜3，平凸透镜4，弯月透镜5，厚折反镜6，凸面光栅7，像方棱镜8，滤光片9和焦平面10，3.1为所述物方棱镜入射面，3.2为所述物方棱镜反射面，3.3为所述物方棱镜出射面；4.1为平凸透镜平面，4.2为平凸透镜凸表面；5.1为弯月透镜凹表面，5.2为弯月透镜凸表面； 6.1为厚折反镜凹表面，6.2为厚折反镜凸表面；8.1为像方棱镜入射面，8.2为像方棱镜反射面，8.3为像方棱镜出射面。物方棱镜出射面3.3与平凸透镜平面4.1胶合；平凸透镜凸表面4.2与弯月透镜凹表面5.1胶合；弯月透镜凸表面5.2与厚折反镜凹表面6.1胶合；凸面光栅7直接刻在弯月镜凸表面5.2上；像方棱镜入射平面8.1与平凸透镜平面4.1胶合；入射狭缝2的长度方向和凸面光栅7的刻线方向均垂直于纸面。远心光线1从狭缝2入射，由物方棱镜3折叠或折射进入平凸透镜4；经平凸透镜4和弯月透镜5折射，厚折反镜6折反射后，以会聚光束的形式入射到凸面光栅7上；所述的会聚光束经过凸面光栅7衍射后实现光谱分光；分光后得到的发散光束依次通过厚折反镜6折反，弯月透镜5和平凸透镜4折射，进入像方棱镜8；所述光束经棱镜8折叠或折射，并由滤光片9滤光后，成像于焦平面10，实现光谱成像。凸面光栅7为直线槽刻划光栅或曲线槽全息光栅，入射光栅的中心视场主光线和光栅衍射后的中心视场主光线均在光栅主截面即纸面内。平凸透镜4、弯月透镜5、厚折反镜6和凸面光栅7共轴；入射狭缝2和焦平面10离轴，其离轴量保证凸球面光栅7不对两侧的光束形成遮拦。
本实施例提供的紧凑型折反式无热化成像光谱仪相关指标如下：
光谱范围：0.4μm～1μm；
系统F数：2.7；
狭缝长度：32mm；
光谱分辨率：2.5nm；
像平面色散宽度：3.6mm；
探测器像元大小：15μm×15μm。
本实施例中各光学元件的具体光学参数参见表1，表中“表面”表示各光学表面代号；“曲率半径”表示各光学面半径大小；“材料”表示该光学元件所用材料；“距离”表示该光学面顶点到下一个光学面顶点的横向距离；凸面光栅7刻线密度为186 lp/mm。
表1 紧凑型折反式无热化成像光谱仪光学参数
表面 曲率半径/mm 材料 距离/mm 备注
2 ∞ —— 1.5 离轴12.2mm
3.1 ∞ K10 8 入射面
3.2 ∞ K10 6 45°转折
3.3，4.1 ∞ K10 9 胶合面
4.2，5.1 -26 H-ZK10 8.12 胶合面
5.2，6.1 -34.2 K10 33.52 胶合面
6.2 -64.46 MIRROR 33.52 反射面
7 -34.2 MIRROR 33.52 凸面光栅
6.2 -64.46 MIRROR 33.52 反射面
6.1，5.2 -34.2 K10 8.12 胶合面
5.1，4.2 -26 H-ZK10 9 胶合面
4.1，8.3 ∞ K10 9 胶合面
8.2 ∞ K10 6 45°转折
8.3 ∞ K10 2 出射面
9 ∞ F_Silica 2 滤光片
10 ∞ —— 2 焦平面
参见附图2，为本实施例提供的紧凑型折反式无热化成像光谱仪光路俯视图。由图2可以看出，包括入射狭缝2和像平面10在内的整个成像光谱仪关于光轴11对称；该成像光谱仪空间维成像放大率为1:1，像平面10空间维长度与入射狭缝2长度相等；该成像光谱仪狭缝方向宽度为59mm，小于狭缝长度的两倍。
参见附图3，图4和图5，分别为本实施例提供的光学系统在温度为-40℃，20℃和80℃时的调制传递函数曲线，该成像光谱仪在探测器奈奎斯特频率33.3 Lp/mm处的调制传递函数大于0.85，接近衍射极限，成像质量优良，像质基本不随温度变化而变化，实现无热化。
参见附图6，它是本发明提供的紧凑型折返式无热化成像光谱仪物方光路和像方光路未折叠时的光学系统。它在狭缝后有物方棱镜3，它为直方棱镜；滤光片前有像方棱镜8，它为直方棱镜。它的平凸透镜，弯月透镜和厚折反镜参数都与图1所示成像光谱仪参数相同，成像性能和其它光学性能和图1所示成像光谱仪相同。
实施例2
参见附图7，它是本实施例提供的紧凑型折返式无热化成像光谱仪光栅位于平凸透镜凸面时的光学系统。它包括包括入射狭缝2，物方棱镜3，平凸透镜4，弯月透镜5，厚折反镜6，凸面光栅27，像方棱镜8，滤光片9和焦平面10，3.1为所述物方棱镜入射面，3.2为所述物方棱镜反射面，3.3为所述物方棱镜出射面；4.1为平凸透镜平面，4.2为平凸透镜凸表面；5.1为弯月透镜凹表面，5.2为弯月透镜凸表面； 6.1为厚折反镜凹表面，6.2为厚折反镜凸表面；8.1为像方棱镜入射面，8.2为像方棱镜反射面，8.3为像方棱镜出射面。物方棱镜出射面3.3与平凸透镜平面4.1胶合；平凸透镜凸表面4.2与弯月透镜凹表面5.1胶合；弯月透镜凸表面5.2与厚折反镜凹表面6.1胶合；凸面光栅7直接刻在平凸透镜凸表面4.2上；像方棱镜入射平面8.1与平凸透镜平面4.1胶合；入射狭缝2的长度方向和凸面光栅7的刻线方向均垂直于纸面。远心光线1从狭缝2入射，由物方棱镜3折叠或折射进入平凸透镜4；经平凸透镜4和弯月透镜5折射，厚折反镜6折反射后，以会聚光束的形式再次入射到弯月透镜5上，再折射至凸面光栅7上；所述的会聚光束经过凸面光栅7衍射后实现光谱分光；分光后得到的发散光束依次通过弯月透镜5折射，厚折反镜6折反，弯月透镜5和平凸透镜4折射，进入像方棱镜8；所述光束经棱镜8折叠或折射，并由滤光片9滤光后，成像于焦平面10，实现光谱成像。凸面光栅7为直线槽刻划光栅或曲线槽全息光栅，入射光栅的中心视场主光线和光栅衍射后的中心视场主光线均在光栅主截面即纸面内。平凸透镜4、弯月透镜5、厚折反镜6和凸面光栅7共轴；入射狭缝2和焦平面10离轴，其离轴量保证凸球面光栅7不对两侧的光束形成遮拦。
本实施例提供的光栅位于平凸透镜凸面时的紧凑型折返式无热化成像光谱仪光学系统指标如下：
光谱范围：1μm～2.5μm；
系统F数：2.7；
狭缝长度：50mm；
光谱分辨率：5nm；
像平面色散宽度：7.2mm；
探测器像元大小：24μm×24μm。
本实施例中入射狭缝离轴量为22.4mm，距棱镜距离为3mm；平凸透镜厚度为26mm，其后表面曲率半径为26.4mm；弯月透镜厚度为11.4mm，其后表面曲率半径为65.2mm；厚折反镜厚度为57.3mm，其后表面曲率半径为122.5mm；凸面光栅槽密度为85 lp/mm。

Claims (9)

1.一种紧凑型折反式无热化成像光谱仪，其特征在于：它包括入射狭缝（2），物方棱镜（3），平凸透镜（4），弯月透镜（5），厚折反镜（6），凸面光栅（7），像方棱镜（8），滤光片（9）和焦平面（10）；物方棱镜（3）的出射平面（3.3）与平凸透镜（4）的平面（4.1）胶合；平凸透镜（4）的凸面（4.2）与弯月透镜（5）的凹表面（5.1）胶合；弯月透镜（5）的凸表面（5.2）与厚折反镜（6）的凹表面胶合；凸面光栅（7）直接刻在弯月镜（5）的凸表面（5.2）或平凸透镜（4）的凸表面（4.2）上；像方棱镜（8）的入射平面（8.1）与平凸透镜（4）的平面（4.1）胶合；
远心光线（1）从狭缝（2）入射，由物方棱镜（3）折叠或折射进入平凸透镜（4）；经平凸透镜（4）和弯月透镜（5）折射，厚折反镜（6）折反射后，以会聚光束的形式入射到凸面光栅（7）上；所述的会聚光束经过凸面光栅（7）衍射后实现光谱分光；分光后得到的发散光束依次通过厚折反镜（6）折反，弯月透镜（5）和平凸透镜（4）折射，进入像方棱镜（8）；所述光束经像方棱镜（8）折叠或折射，经滤光片（9）滤光后，成像于焦平面（10），实现光谱成像；
所述的弯月透镜（5）的折射率大于平凸透镜（4）和厚折反镜（6）的折射率；所述的平凸透镜（4）的材料热膨胀系数α 1，弯月透镜（5）的材料热膨胀系数α 2和厚折反镜（6）的材料热膨胀系数α 3相等，或满足：
α 3=a×α 1+b×α 2，
其中，a和b为比例系数，a的取值范围为0.4～0.6，b的取值范围为0.4～0.6。
2.根据权利要求1所述的一种紧凑型折反式无热化成像光谱仪，其特征在于：物方棱镜（3），平凸透镜（4）和像方棱镜（8）为同种材料。
3.根据权利要求1所述的一种紧凑型折反式无热化成像光谱仪，其特征在于：物方棱镜（3）与像方棱镜（8）对应，为折叠棱镜或直方棱镜。
4.根据权利要求1所述的一种紧凑型折反式无热化成像光谱仪，其特征在于：平凸透镜（4），弯月透镜（5），厚折反镜（6）和凸面光栅（7）同光轴（11）。
5.根据权利要求1所述的一种紧凑型折反式无热化成像光谱仪，其特征在于：弯月透镜（5）凹表面（5.1）与凸表面（5.2）曲率半径之比为0.75～0.95。
6.根据权利要求1所述的一种紧凑型折反式无热化成像光谱仪，其特征在于：厚折反镜（6）凹表面（6.1）与凸表面（6.2）曲率半径之比为0.45～0.55。
7.根据权利要求1所述的一种紧凑型折反式无热化成像光谱仪，其特征在于：凸面光栅（7）为直线槽刻划光栅或曲线槽全息光栅。
8.根据权利要求1所述的一种紧凑型折反式无热化成像光谱仪，其特征在于：成像光谱仪系统F数范围为1.5～5。
9.根据权利要求1所述的一种紧凑型折反式无热化成像光谱仪，其特征在于：所述成像光谱仪在狭缝方向的宽度小于狭缝长度的两倍。
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