CN110132411B - 自由曲面成像光谱仪系统 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自由曲面成像光谱仪系统，包括：一主反射镜，简称主镜，位于光线的光路上，以该主反射镜顶点为原点定义一第一三维直角坐标系；一次反射镜，简称次镜，位于所述主反射镜光路上，以该次反射镜顶点为原点定义一第二三维直角坐标系；一第三反射镜，简称三镜，位于所述次反射镜的光路上，以该第三反射镜顶点为原点定义一第三三维直角坐标系；以及一探测器，光线依次经过所述主镜、次镜和三镜的反射后，被该探测器接收到并成像。所述次镜为系统的孔径光阑。所述主镜和三镜的反射面均为六次自由曲面。所述次镜为具有六次自由曲面面形的光栅，该自由曲面面形的光栅由一组等间距的平行平面与自由曲面相交而得到。

Description

自由曲面成像光谱仪系统
技术领域
本发明涉及光学设计领域，尤其涉及一种自由曲面成像光谱仪系统。
背景技术
成像光谱仪在生物医学、化学分析、地球遥感探测、宇宙探索等领域有着重要应用，其中的关键仪器是具有色散器件的光学系统。具有色散器件的光学系统具有更大的视场、更宽的光谱范围、更高的分辨率，能够推动相关应用领域学科的发展，是人们长期以来所不懈追求的目标。
自由曲面是指无法用球面或非球面系数来表示的非传统曲面，自由曲面是不具有对称性的复杂面形的光学曲面。自由曲面光学涵括了具有至少一个自由曲面的光学系统的设计。近十几年来，自由曲面光学的快速发展不但为光学系统的性能带来了全方位的提升，而且还实现了许多以往难以设计、或者从来没有过的光学系统，为光学设计领域带来了革命性的突破。
然而，现有的成像光谱仪较少采用自由曲面来设计，原因是自由曲面的变量较多，自由度太大，系统的体积、重量与镜片数量等考虑因素很多，很难设计出结构简单、成本低廉且具有较好成像效果的成像光谱仪。
发明内容
综上所述，确有必要提供一种结构简单、成本低廉且具有较好成像效果的自由曲面成像光谱仪系统。
一种自由曲面成像光谱仪系统，在该自由曲面成像光谱仪系统的狭缝所在空间中，以狭缝上中心视场的物点作为原点定义一全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)，该自由曲面成像光谱仪系统包括：
一主镜，以所述主镜的顶点为第一原点定义一第一三维直角坐标系(X，Y，Z)，且该第一三维直角坐标系(X，Y，Z)为所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Z轴正方向和Y轴正方向平移得到，在该第一三维直角坐标系(X，Y，Z)中，所述主镜的反射面为一xy多项式自由曲面；
一次镜，以所述次镜的顶点为第二原点定义一第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)，且该第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)为所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Z轴正方向和Y轴负方向平移得到，在该第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)中，所述次镜的反射面为一x′y′多项式自由曲面，该次镜为孔径光阑，且该次镜为具有自由曲面面形的光栅，该自由曲面面形的光栅由由一组等间距平行平面与自由曲面相交而得到；
一三镜，以所述三镜的顶点为第三原点定义一第三三维直角坐标系(X″，Y″，Z″)，且该该第三三维直角坐标系(X″，Y″，Z″)为所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Z轴正方向和Y轴正方向平移得到，在该第三三维直角坐标系(X＂，Y″，Z″)中，所述三镜的反射面为一x″y″多项式自由曲面；以及
一探测器，光线依次经过所述主镜、次镜和三镜的反射后，被该探测器接收到并成像。
相较于现有技术，本发明提供的自由曲面成像光谱仪系统结构简单、成本低廉且具有较好成像效果，能够在保持紧凑结构的同时实现低畸变、长狭缝、宽光谱范围和高光谱分辨率，具有极高的综合性能。
附图说明
图1为本发明实施例提供的自由曲面成像光谱仪系统的结构光路图的主视图。
图2为本发明实施例提供的自由曲面成像光谱仪系统的结构光路图的俯视图。
图3为本发明实施例提供的自由曲面成像光谱仪系统的波像差图。
主要元件符号说明
自由曲面成像光谱仪系统 100
主镜 102
次镜 104
三镜 106
探测器 108
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
下面根据说明书附图并结合具体实施例对本发明的技术方案进一步详细表述。
请参阅图1和2，本发明实施例提供一种自由曲面成像光谱仪系统100。其中，该自由曲面成像光谱仪系统100包括相邻且间隔设置的一主镜102、一次镜104、以及一三镜106，从光源出射的光线依次经过所述主镜102、次镜104、以及三镜106的反射后，被一探测器108接收到并成像。
所述主镜102、次镜104和三镜106的面形均为自由曲面。所述次镜104为孔径光阑。所述次镜104为具有自由曲面面形的光栅，该自由曲面面形的光栅由一组等间距的平行平面与自由曲面相交而得到，平行平面之间的距离为栅距。本实施例中，自由曲面面形的光栅由一组等间距的平行平面与自由曲面相交而得到，且所述光栅的栅距为0.007毫米。
为了描述方便，在狭缝所在空间中，狭缝上中心视场的物点作为原点定义一全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)，将所述主镜102所处的空间定义一第一三维直角坐标系(X，Y，Z)、次镜104所处的空间定义一第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)、三镜106所处的空间定义一第三三维直角坐标系(X″，Y″，Z″)。
在全局三维直角坐标系中，X轴通过全局三维直角坐标系的原点并与狭缝长度方向重合，垂直于图1所示的平面向里为正、向外为负；Y轴在图1所示的平面内方向竖直，向上为正、向下为负；Z轴在图1所示的平面内方向水平，向右为正、向左为负。
所述主镜102的顶点为所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)的原点。所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)为所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Z轴正方向和Y轴正方向平移得到。本实施例中，所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)由所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Y轴正方向平移约0.375mm，再沿Z轴正方向平移约130.943mm，然后以X轴为旋转轴沿逆时针方向的旋转角度约为5.188°得到。所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)的原点到所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)的原点的距离约为130.997mm。
在所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)中，所述主镜102的反射面为xy的多项式自由曲面，该xy多项式自由曲面的方程式可表达为：
Figure BDA0001576365920000041
其中，z为曲面矢高，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。优选的，所述主镜102的反射面一xy多项式自由曲面，所述xy多项式为x的偶次多项式，x的最高次数为6次，该xy多项式自由曲面的方程式可表达为：
Figure BDA0001576365920000042
本实施例中，所述主镜102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中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表1主镜的反射面的xy多项式中的各系数的值
Figure BDA0001576365920000043
Figure BDA0001576365920000051
所述第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)的原点为所述次镜104的顶点。所述第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)为所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Z轴正方向和Y轴负方向平移得到。本实施例中，所述第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)由所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Y轴负方向平移约18.001mm，再沿Z轴正方向平移约46.046mm，然后以X轴为旋转轴沿逆时针方向的旋转角度约为43.336°得到。所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)的原点到所述第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)的原点的距离约为49.442mm。
在所述第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)中，所述次镜104的反射面为x′y′的多项式自由曲面，该x′y′多项式自由曲面的方程式可以表达为：
Figure BDA0001576365920000052
其中，z′为曲面矢高，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。由于所述自由曲面成像光谱仪系统100关于Y′Z′平面对称，因此，可以仅保留X′的偶次项。优选的，所述次镜104的反射面为一x′y′多项式自由曲面，所述x′y′多项式为x′的偶次多项式，x′的最高次数为6次，该x′y′多项式自由曲面的方程式可表达为：
Figure BDA0001576365920000061
本实施例中，所述次镜104反射面的x′y′多项式中曲率c′、二次曲面系数k′以及各项系数Ai′的值请参见表2。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2中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表2次镜的反射面的x′y′多项式中的各系数的值
曲率c′ 1/-74.787222409682
二次曲面系数k′ 0.197915885616308
A<sub>2</sub>′ 0.219139600693203
A<sub>3</sub>′ -0.0015668216458602
A<sub>5</sub>′ -0.000113148729752593
A<sub>7</sub>′ 0.000110773994138095
A<sub>9</sub>′ 4.64610222017242e-006
A<sub>10</sub>′ -1.41006542846292e-006
A<sub>12</sub>′ -1.8434653293837e-006
A<sub>14</sub>′ -1.53743088794955e-007
A<sub>16</sub>′ 6.56200181475036e-008
A<sub>18</sub>′ 3.31077127158278e-008
A<sub>20</sub>′ -2.98732023163831e-009
A<sub>21</sub>′ -8.1605169185165e-010
A<sub>23</sub>′ -1.92331290018676e-009
A<sub>25</sub>′ -6.01563974506452e-010
A<sub>27</sub>′ -1.67959645045492e-010
所述第三三维直角坐标系(X″，Y″，Z″)的原点为所述第三反射镜的顶点。该第三三维直角坐标系(X″，Y″，Z″)为所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Z轴正方向和Y轴正方向平移得到。本实施例中，所述第三三维直角坐标系(X″，Y″，Z＂)为所述局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Z轴正方向平移约93.370mm，再沿Y轴正方向平移约44.689mm，然后绕X轴逆时针旋转角度约为47.862°得到。所述第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)的原点到所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)的原点的距离约为103.513mm。
在所述第三三维直角坐标系(X″，Y″，Z″)中，所述三镜106的反射面为x″y″的多项式自由曲面，该x″y″多项式曲面的方程式可以表达为：
Figure BDA0001576365920000071
其中，z″为曲面矢高，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。由于所述自由曲面成像光谱仪系统100关于Y″Z″平面对称，因此，可以仅保留x″的偶次项。优选的，所述三镜108的反射面一x″y″多项式自由曲面，所述x″y″多项式为x″的偶次多项式，x″的最高次数为6次，该x″y″多项式自由曲面的方程式可表达为：
Figure BDA0001576365920000072
本实施例中，所述三镜106反射面面形的x＂y＂多项式中，曲率c＂、二次曲面系数k＂以及各项系数Ai″的值请参见表3。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3中所述，本领域技术人员可以根据实际需要调整。
表3三镜的反射面的x＂y＂多项式中的各系数的值
Figure BDA0001576365920000073
Figure BDA0001576365920000081
所述主镜102、次镜104和三镜106的材料不限，只要保证其具有较高的反射率即可。所述主镜102、次镜104和三镜106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。为了进一步增加所述主镜102、次镜104和三镜106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。所述主镜102、次镜104和三镜106的尺寸不限。本实施例中，所述自由曲面成像光谱仪系统100的结构尺寸约为132×85×62mm。
在所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)中，所述探测器108的中心与所述三镜106的顶点沿Z轴反方向的距离约为391.895mm，所述探测器108的中心沿Y轴正方向偏离Z轴，偏离量约为33.491mm。所述探测器108与XY平面沿顺时针方向的角度约为7.435°。所述探测器108的尺寸根据实际需要进行设计。本实施例中，所述探测器108的尺寸为8μm×8μm。
所述自由曲面成像光谱仪系统100的光谱波长范围为400纳米到1000纳米。当然，所述自由曲面成像光谱仪系统100的光谱波长并不限于本实施例，本领域技术人员可以根据实际需要调整。所述自由曲面成像光谱仪系统100的光谱分辨率可以达到2纳米以上。
所述自由曲面成像光谱仪系统100的F数小于等于3.0。本实施例中，所述自由曲面成像光谱仪系统100的F数为3.0，相对孔径大小D/f为所述F数的倒数，即，所述自由曲面成像光谱仪系统100的相对孔径大小D/f为1/3。
所述自由曲面成像光谱仪系统100的数值孔径为0.1～0.2，本实施例中，所述自由曲面成像光谱仪系统100的数值孔径为0.16。
所述自由曲面成像光谱仪系统100的狭缝长度为8～12毫米，狭缝宽度为6～10微米。本实施例中，所述自由曲面成像光谱仪系统100的狭缝长度为10毫米，狭缝宽度8微米。
所述自由曲面成像光谱仪系统100的放大倍率为1∶1。
所述自由曲面成像光谱仪系统100的色畸变小于20％像素大小(pixel size)，谱线弯曲小于20％像素大小(pixel size)。在不同的系统指标下，该自由曲面成像光谱仪系统100的色畸变和谱线弯曲可以做到更小。
请参阅图3，为所述自由曲面成像光谱仪系统100的波像差，从图中可以看出，自由曲面成像光谱仪系统100在各个波长、各个视场位置都达到了衍射极限。说明该自由曲面成像光谱仪系统100的成像质量很好。
本发明提供的自由曲面成像光谱仪系统100采用离轴三反系统的结构尺寸为132×85×62mm，结构紧凑。该自由曲面成像光谱仪的F数只有3.0，能够获得高分率的图像。该自由曲面成像光谱仪的色畸变和谱线弯曲＜20％的像尺寸，狭缝长度为10mm，光谱范围为400-1000nm，光谱分辨率为2nm，能够在保持紧凑结构的同时实现低畸变、长狭缝、宽光谱范围和高光谱分辨率，具有极高的综合性能。
本发明提供的自由曲面成像光谱仪系统100应用领域涉及到对地观测、空间目标探测、天文观测、多光谱热成像、立体测绘等。本发明提供的自由曲面成像光谱仪系统100在可见光波段达到了衍射极限，可以在可见光下进行使用，也可以在红外波段进行使用。
另外，本领域技术人员还可在本发明精神内作其它变化，当然这些依据本发明精神所作的变化，都应包含在本发明所要求保护的范围内。

Claims (10)

1.一种自由曲面成像光谱仪系统，其特征在于：在该自由曲面成像光谱仪系统的狭缝所在空间中，以狭缝上中心视场的物点作为原点定义一全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)，该自由曲面成像光谱仪系统包括：
一主镜，以所述主镜的顶点为第一原点定义一第一三维直角坐标系(X，Y，Z)，且该第一三维直角坐标系(X，Y，Z)为所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Z轴正方向和Y轴正方向平移得到，在该第一三维直角坐标系(X，Y，Z)中，所述主镜的反射面为一xy多项式自由曲面，该xy多项式为x的偶次多项式，x的最高次数为6次，该xy多项式自由曲面的方程式为：
Figure FDA0002482175140000011
其中，z为曲面矢高，c为曲面曲率，k为二次曲面系数，A2，A3，A5，A7，A9，A10，A12，A14，A16，A18，A20，A21，A23，A25，以及A27是多项式中每一项的系数；
一次镜，以所述次镜的顶点为第二原点定义一第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)，且该第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)为所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Z轴正方向和Y轴负方向平移得到，在该第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)中，所述次镜的反射面为一x′y′多项式自由曲面，该x′y′多项式为x′的偶次多项式，x′的最高次数为6次，该次镜为孔径光阑，且该次镜为具有自由曲面面形的光栅，该自由曲面面形的光栅由由一组等间距平行平面与自由曲面相交而得到；
一三镜，以所述三镜的顶点为第三原点定义一第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)，且该该第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)为所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Z轴正方向和Y轴正方向平移得到，在该第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)中，所述三镜的反射面为一x”y”多项式自由曲面，该x”y”多项式为x”的偶次多项式，x”的最高次数为6次；以及
一探测器，光线依次经过所述主镜、次镜和三镜的反射后，被该探测器接收到并成像。
2.如权利要求1所述的自由曲面成像光谱仪系统，其特征在于，将平行平面之间的距离定义为栅距，所述光栅的栅距为0.007毫米。
3.如权利要求1所述的自由曲面成像光谱仪系统，其特征在于，所述方程式
Figure DEST_PATH_IMAGE001
其中，c＝1/-145.418275620109，k＝0.624958846203866，A2＝-0.0163788177487878，A3＝-0.000295233410827397，A5＝-0.000210300869303387，A7＝4.66485198772164e-006，A9＝-4.21385063387942e-007，A10＝1.36627658326689e-008，A12＝-3.02182908797448e-009，A14＝1.3081464012072e-008，A16＝1.97565367144866e-010，A18＝3.16770638046019e-010，A20＝-3.79206991893053e-011，A21＝1.17652940989923e-012，A23＝1.44167031123941e-012，A25＝4.98199759406961e-013，以及A27＝7.80274289683532e-013。
4.如权利要求1所述的自由曲面成像光谱仪系统，其特征在于，该x′y′多项式自由曲面的方程式为：
Figure FDA0002482175140000022
其中，c′＝1/-74.787222409682，k′＝0.197915885616308，A2′＝0.219139600693203，A3′＝-0.0015668216458602，A5′＝-0.000113148729752593，A7′＝0.000110773994138095，A9′＝4.64610222017242e-006，A10′＝-1.41006542846292e-006，A12′＝-1.8434653293837e-006，A14′＝-1.53743088794955e-007，A16′＝6.56200181475036e-008，A18′＝3.31077127158278e-008，A20′＝-2.98732023163831e-009，A21′＝-8.1605169185165e-010，A23′＝-1.92331290018676e-009，A25′＝-6.01563974506452e-010，以及A27′＝-1.67959645045492e-010。
5.如权利要求1所述的自由曲面成像光谱仪系统，其特征在于，该x”y”多项式自由曲面的方程式为：
Figure FDA0002482175140000031
其中，c”＝1/-125.336259302399，k″＝0.730866579643393，A2”＝-0.013535502861499，A3″＝-0.000248904316215348，A5″＝-7.0630777168571e-005，A7”＝-1.67104431028359e-006，A9″＝-2.59911394183642e-006，A10″＝1.53893531673435e-008，A12″＝5.35895831746943e-008，A14″＝-2.03909100495527e-010，A16″＝3.52133563125681e-008，A18″＝-3.41817171152247e-010，A20”＝-1.52203050072224e-010，A21”＝1.84098557538911e-012，A23″＝8.40400504710118e-012，A25″＝7.32052575487887e-012，以及A27″＝1.76461076891148e-012。
6.如权利要求1所述的自由曲面成像光谱仪系统，其特征在于，该自由曲面成像光谱仪系统的F数小于等于3.0。
7.如权利要求1所述的自由曲面成像光谱仪系统，其特征在于，该自由曲面成像光谱仪系统的狭缝长度为8～12毫米，狭缝宽度为6～10微米。
8.如权利要求1所述的自由曲面成像光谱仪系统，其特征在于，所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)由所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Y轴正方向平移0.375mm，再沿Z轴正方向平移130.943mm，然后以X轴为旋转轴沿逆时针方向的旋转角度为5.188°得到；所述第一三维直角坐标系(X，Y，Z)的原点到所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)的原点的距离约为130.997mm。
9.如权利要求1所述的自由曲面成像光谱仪系统，其特征在于，所述第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)由所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Y轴负方向平移18.001mm，再沿Z轴正方向平移46.046mm，然后以X轴为旋转轴沿逆时针方向的旋转角度为43.336°得到；所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)的原点到所述第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)的原点的距离为49.442mm。
10.如权利要求1所述的自由曲面成像光谱仪系统，其特征在于，所述第三三维直角坐标系(X”，Y”，Z”)为所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)沿Z轴正方向平移93.370mm，再沿Y轴正方向平移44.689mm，然后绕X轴逆时针旋转角度为47.862°得到；所述第二三维直角坐标系(X′，Y′，Z′)的原点到所述全局三维直角坐标系(X0，Y0，Z0)的原点的距离为103.513mm。
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