CN112577601A - 一种实体化Offner光路结构光谱成像仪光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明的目的在于克服目前Offner光路结构光谱成像仪存在的不足，提出了一种实体化光谱成像仪光学系统，具有轻小型、大相对孔径的特点。本发明系统光路采用全实体化设计方法，各光学元件集成于实体化玻璃上，使得光束传播均在实体化玻璃中进行，由于玻璃折射率明显高于空气，因此可大大缩短光程，从而可明显缩小光谱成像仪的外形尺寸，进而实现小型化。由于采用实体化光路结构设计方法，光束在各镜面上的入射角相对于传统的Offner光路结构明显缩小，在保证系统性能指标的情况下，可使得相对孔径设计到1/2，甚至更大。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像技术领域，涉及一种实体化光谱成像仪光学系统。
背景技术
光谱成像技术是成像技术与光谱技术相结合的产物，不仅可实现待观察目标几何形态信息的识别与分析，同时可从分子水平对观察目标进行物理属性的定量化分析与分类识别，其应用不仅限于星载遥感领域，在资源调查、环境监测、农业生产、生物医学、药物分选、食品安全、刑侦和司法鉴定等多个应用领域均发挥着不可替代的作用。
Offner光路结构的光谱成像仪是在1973年Offner提出的同心三反射成像光学系统的基础上演变而来，由于其具有高光谱分辨率、光学系统像差易于校准和宽谱段的特点，已经成为一种很重要的光谱成像仪光路结构形式。标准的Offner光谱成像仪光路结构由一个大的凹面反射镜和一个同心球面凸面光栅组成，该设计可使得三级像差为零。为提高系统性能，研究人员将Offner光谱成像仪中大的凹面反射镜换成两个小凹面反射镜分别作为准直镜和成像镜，该光路结构通过改变两球面反射镜半径的方式来增加优化的自由度，以校准场曲和像散从而提高系统的成像质量。受光路结构形式的限制，目前的Offner光路结构光谱成像仪存在如下缺点：
1、相对孔径较小
为了提高光谱成像仪信号强度，一种有效的技术途径就是增大光谱成像仪光学系统的相对孔径，然而目前的Offner光路结构光谱成像仪其相对孔径较小，一般在1/3左右，在一定程度上限制了系统信噪比的提升。
2、体积较大难以实现小型化
目前的Offner光路结构光谱成像仪由于采用分体式光路结构设计，入射狭缝、准直镜、凸面光栅、成像镜以及最佳成像焦面之间的光程较长，难以实现小型化设计。
3、系统装调工艺较为复杂
现有的Offner光路结构光谱成像仪对装调同心度要求较高，为保证Offner光谱成像仪系统性能指标须开展精密装调，使得装调工艺较为复杂。
发明内容
本发明的目的在于克服目前Offner光路结构光谱成像仪存在的不足，提出了一种实体化光谱成像仪光学系统，具有轻小型、大相对孔径的特点。
本发明的技术方案是：
一种实体化Offner光路结构光谱成像仪光学系统，其特殊之处在于：
包括入射狭缝和实体化玻璃；
根据设计的光学系统光路，在实体玻璃的外表面顺序依次加工有第一侧面、第二侧面、第三侧面、第四侧面、第五侧面、第六侧面和第七侧面；
其中，
第三侧面、第四侧面和第五侧面均为球面；第二侧面和第六侧面均为平面；
在第二侧面、第三侧面、第五侧面和第六侧面上均镀有内反射膜，分别形成第一折轴反射镜、第一球面反射镜、第二球面反射镜和第二折轴反射镜；
在第四侧面上加工有凸面光栅，并镀有内反射膜；
入射狭缝设置在第一侧面附近；
入射光束经过入射狭缝后从第一侧面进入实体化玻璃，经第一折轴反射镜、第一球面反射镜、凸面光栅、第二球面反射镜、第二折轴反射镜后，从实体化玻璃的第七侧面出射，成像于最佳像面位置处。
进一步地，第一侧面和第七侧面上均镀有增透膜。
进一步地，实体化玻璃为石英玻璃。
本发明的优点是：
1、小型化
本发明系统光路采用全实体化设计方法，使得光束传播均在实体化玻璃中进行，由于玻璃折射率明显高于空气，因此可大大缩短光程，从而可明显缩小光谱成像仪的外形尺寸，进而实现小型化。
2、大相对孔径
本发明由于采用实体化光路结构设计方法，光束在各镜面上的入射角相对于传统的Offner光路结构明显缩小，在保证系统性能指标的情况下，可使得相对孔径设计到1/2，甚至更大。
3、装调简单
由于该光学系统主体仅由一块实体化玻璃组成，因此全系统光路装调非常简单方便。
附图说明
图1是本发明第一种实体化Offner光路结构光谱成像仪实施例的光学系统光路结构。
图2是图1中的实体化玻璃。
图3是本发明另一种实体化Offner光路结构光谱成像仪实施例的光学系统光路结构。
图4是图3中的实体化玻璃。
图5是实体化Offner光谱成像仪在各单色光下MTF设计结果，其中，(a)为400nm下不同视场的MTF，(b)为700nm下不同视场的MTF，(c)为1000nm下不同视场的MTF。
图6是实体化Offner光谱成像仪在各单色光下点列图设计结果，其中，(a)为400nm下不同视场的点列图，(b)为700nm下不同视场的点列图，(c)为1000nm不同视场点列图。
附图标记：
1-入射狭缝；2-第一折轴反射镜；3-第一球面反射镜；4-凸面光栅；5-第二球面反射镜；6-第二折轴反射镜；7-像面位置；A-实体化玻璃；A01第一侧面；A02-第二侧面；A03-第三侧面；A04-第四侧面；A05-第五侧面；A06-第六侧面；A07-第七侧面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步说明。
如图1、2所示，本发明所提供的实体化Offner光路结构光谱成像仪光学系统，包括入射狭缝1和实体化玻璃A，实体化玻璃A优选石英玻璃(波段范围大)。
根据设计的光学系统光路，在实体玻璃A的外表面顺序依次加工有第一侧面A01、第二侧面A02、第三侧面A03、第四侧面A04、第五侧面A05、第六侧面A06和第七侧面A07；
其中，
第三侧面A03、第四侧面A04和第五侧面A05均为球面；第二侧面A02和第六侧面A06均为平面；
第二侧面A02的位置与第一侧面A01相对，第三侧面A03的位置与第二侧面A02相对，第四侧面A04的位置与第三侧面A03相对，第五侧面A05的位置与第四侧面A04相对，第六侧面A06的位置与第五侧面A05相对，第七侧面A07的位置与第六侧面A06相对；
在第二侧面A02、第三侧面A03、第五侧面A05和第六侧面A06上均镀有内反射膜，分别形成第一折轴反射镜2、第一球面反射镜3、第二球面反射镜5和第二折轴反射镜6；
在第四侧面A04上加工凸面光栅4并镀有内反射膜；
为提高能量利用率，在第一侧面A01和第七侧面A07上均镀有增透膜；
入射狭缝1设置在第一侧面A01附近；
入射光束经过入射狭缝1后从第一侧面A01进入实体化玻璃A，经第一折轴反射镜2、第一球面反射镜3、凸面光栅4、第二球面反射镜5、第二折轴反射镜6后，从实体化玻璃A的第七侧面A07出射，成像于最佳像面位置7处，整个光束传播过程是在实体化玻璃A中进行的。
图3为本发明所提供的另一种实体化光谱成像仪光路结构示意图，与图1不同之处在于，对第一折轴反射镜2和第二折轴反射镜6(即对第二侧壁和第六侧壁)的位置进行了调整(如图4所示)，使得其入射光束的反射角相对于图1而言发生了变化，实现光束传输方向的转折。
图1、3所示的光学系统，第一折轴反射镜2和第二折轴反射镜6的作用是折转光路，使得光学系统光路结构更加紧凑。
仿真验证：
基于上述图1或图3的光学系统光路设计方案，我们设计了一小型实体化offner光谱成像仪光学系统，该光学系统主要技术指标如下：
1)光谱范围：0.4μm-1.0μm；
2)系统F数：F/1.7；
3)光谱分辨率：193nm/mm；
4)垂直放大倍率：1:1；
5)探测器像元尺寸：6.45μm；
6)探测器分辨率：1384×1032。
该实体化offner光谱成像仪光学系统的外形尺寸为75mm×50mm×45mm，非常轻巧，重量只有480g。
本实施例中，第一球面反射镜3曲率半径为90mm～120mm；第二球面反射镜5曲率半径为80mm～110mm；凸面光栅4刻线密度为120Lp/mm～170Lp/mm。
本实施例中，第一球面反射镜3与凸面光栅4之间的距离为45mm～58mm；凸面光栅4与第二球面反射镜5之间的距离为40mm～50mm。
本实施例中，实体化玻璃A为石英玻璃材料。该实体化offner光谱成像仪光学系统在奈奎斯特频率(即77.5Lp/mm)下的光学传递函数设计结果如图5所示。从图5可以看出在400nm-1000nm的光谱范围，本发明所提供的实体化offner光谱成像仪光学系统MTF值均接近衍射极限，完全满足要求。
该实体化offner光谱成像仪在400nm-1000nm波长下点列图设计结果如图6所示，点列图中方框大小跟像元尺寸一致，即6.45μm×6.45μm。从图6的设计结果可以看出，不同视场弥散圆直径均分值均小于像元尺寸，完全满足要求。
Claims (3)
1.一种实体化Offner光路结构光谱成像仪光学系统，其特征在于：
包括入射狭缝(1)和实体化玻璃(A)；
根据设计的光学系统光路，在实体玻璃(A)的外表面顺序依次加工有第一侧面(A01)、第二侧面(A02)、第三侧面(A03)、第四侧面(A04)、第五侧面(A05)、第六侧面(A06)和第七侧面(A07)；
其中，
第三侧面(A03)、第四侧面(A04)和第五侧面(A05)均为球面；第二侧面(A02)和第六侧面(A06)均为平面；
在第二侧面(A02)、第三侧面(A03)、第五侧面(A05)和第六侧面(A06)上均镀有内反射膜，分别形成第一折轴反射镜(2)、第一球面反射镜(3)、第二球面反射镜(5)和第二折轴反射镜(6)；
在第四侧面(A04)上加工有凸面光栅，并镀有内反射膜；
入射狭缝(1)设置在第一侧面(A01)附近；
入射光束经过入射狭缝(1)后从第一侧面(A01)进入实体化玻璃(A)，经第一折轴反射镜(2)、第一球面反射镜(3)、凸面光栅(4)、第二球面反射镜(5)、第二折轴反射镜(6)后，从实体化玻璃(A)的第七侧面(A07)出射，成像于最佳像面位置(7)处。
2.根据权利要求1所述的实体化Offner光路结构光谱成像仪光学系统，其特征在于：第一侧面(A01)和第七侧面(A07)上均镀有增透膜。
3.根据权利要求1或2所述的实体化Offner光路结构光谱成像仪光学系统，其特征在于：实体化玻璃(A)为石英玻璃。
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