CN217483671U - 一种基于自由曲面的分光成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种基于自由曲面的分光成像系统，它为全反射式结构，入射狭缝和成像传感器位于凸面光栅的非衍射面一侧，球面反射镜和自由曲面反射镜位于凸面光栅的衍射面一侧；入射狭缝和球面反射镜位于光轴同一侧，自由曲面反射镜和成像传感器位于光轴的另一侧；球面反射镜与凸面光栅共轴同心；系统光阑位于凸面光栅上。本实用新型的主反射镜为球面反射镜，第三反射镜为XY多项式自由曲面反射镜，光栅为凸面衍射光栅，分光成像系统利用自由曲面较高的自由度校正系统的像散，具有宽视场、高像质、高光谱分辨率的优点，适用于推扫型成像光谱仪。

Description

一种基于自由曲面的分光成像系统

技术领域

本实用新型涉及一种分光成像系统，特别涉及一种基于自由曲面反射镜和凸面光栅，适用于推扫型成像光谱仪的全反射式分光成像系统。

背景技术

成像光谱仪能同时采集地物形貌特征和光谱特征，具有图谱合一性，其广泛应用在卫星遥感技术、林业、农业、地质、医药、军事、海洋、地质勘探、生产制造、色度学、生态学等相关领域，具有巨大的应用价值和广阔的发展前景。成像光谱仪作为新一代的空间光学遥感仪器，标志着遥感技术的进步与发展。它能够同时获取被探测目标的空间信息和光谱信息，其工作波段宽、分辨率高。随着成像光谱仪的不断发展，对于成像光谱仪的技术指标，如相对孔径、光谱分辨率、空间分辨率和对弱信号的探测能力要求越来越高。

同心结构的Offner光谱仪因其高性能和紧凑结构，已被广泛应用于成像光谱系统，其应用受材料限制和环境影响很小，易实现焦面稳定性和光谱稳定性，适用于空间环境。D.Kwo等人提出基于罗兰圆配置的Offner光栅成像光谱仪，主镜和次镜为一块大凹球面镜，可以消除第三级像差，但消除第五级像散则需要通过使用像差校正光栅或者将光栅略微倾斜的方法，会引入彗差。M.P.Chrisp 等针对此缺点进行了改进，将大凹球面镜分成两个小凹球面镜，重新获得同心结构并采用罗兰圆配置，使得光谱成像系统更具小型化和轻量化，这种结构称为Chrisp-Offner型，具有更强的像差校正能力。近来，基于自由曲面反射镜的成像光谱仪逐渐成为研究热点，利用自由曲面较高的自由度可以校正系统的残余像差，可在更紧凑的结构实现更宽的视场和更好的像质。

现有技术提供的推扫型成像光谱仪中，光学元件多使用球面反射镜或平面衍射光栅。文献“Offner成像光谱仪的设计方法”（ [J] .光学学报 , 2010 (4): 1148-1152）报道了一种凸面光栅Offner分光成像系统，采用两块球面反射镜，像差校正能力有限；中国实用新型专利CN 103900688 A公开了一种基于自由曲面的成像光谱仪分光系统，其采用Offner结构，引入两块自由曲面反射镜进一步校正系统像差，其光学元件中采用平面衍射光栅，虽制作技术成熟，但还存在着谱线弯曲和色畸变较大的不足。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供了一种具有宽视场、高像质性能的用于推扫型成像光谱仪的全反射式分光成像系统。

为实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案提供一种基于自由曲面的分光成像系统，它为全反射式结构，包括入射狭缝、球面反射镜、凸面光栅、自由曲面反射镜及成像传感器；入射狭缝和成像传感器位于凸面光栅的非衍射面一侧，球面反射镜和自由曲面反射镜位于凸面光栅的衍射面一侧；入射狭缝和球面反射镜位于光轴同一侧，自由曲面反射镜和成像传感器位于光轴的另一侧；球面反射镜与凸面光栅共轴同心；系统光阑位于凸面光栅上；

入射的远心光线经入射狭缝入射，由球面反射镜反射后，会聚光束入射至凸面光栅的衍射面上，经光谱分光后的发散光束经自由曲面反射镜反射，会聚于成像传感器；

所述自由曲面反射镜的面型为XY多项式自由曲面，自由曲面所在坐标系为以自由曲面反射镜的顶点为原点O构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向为垂直纸面向里，坐标系中XY多项式自由曲面z(x,y)的方程式为：

式中，c为曲率，c=-1.17×10^-2；k为二次曲面系数，k=0.046；各项的系数值分别为A₂ =-0.241，A₃=0.725，A₅=0.751，A₇=2.6×10^-2，A₉=1.9×10^-2，A₁₀=0.195, A₁₂=0.466, A₁₄=0.302，A₁₆=0.144,A₁₈=0.307，A₂₀=0.158，A₂₃=0.073，A₂₅=0.322，A₂₇=0.372。

本实用新型所述的一种基于自由曲面的分光成像系统，其入射狭缝的长度S的取值范围为5mm≤S≤50mm；其凸面光栅的曲率半径R的取值范围为50mm≤R≤100mm，球面反射镜的曲率半径R₁与凸面光栅的曲率半径R的比值K₁的取值范围为1.8≤K₁≤2.2，自由曲面反射镜的曲率半径R₂与凸面光栅的曲率半径R的比值K₂的取值范围为1.8≤K₂≤2.2。

本实用新型所述的一种基于自由曲面的分光成像系统，其总长L的取值范围为50mm≤L≤200mm；系统的工作F数的取值范围为2≤F≤5；系统的工作波段为400nm～1000nm。

本实用新型提供的分光成像系统，其工作原理是：远心光线从入射狭缝入射，经球面反射镜反射后，以会聚光束的形式入射到凸面光栅上；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再通过自由曲面反射镜反射，会聚于成像传感器，实现高光谱成像。传统的Offner分光成像系统为离轴光路，成像时子午焦距与弧矢焦距不等，此时像散是最主要的几何像差；本实用新型将自由曲面和凸面光栅应用于同心结构的Chrisp-Offner分光成像系统中，利用自由曲面的非旋转对称性以及灵活控制光线方向的优势校正像差，利用凸面光栅减少光谱弯曲和色畸变，可同时实现成像光谱系统的宽视场、高像质和紧凑结构。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型采用同心结构的Chrisp-Offner型分光系统，具有紧凑的结构和极高的成像性能；高光谱成像仪的光谱分辨率由分光成像系统决定，与现有的其它结构的分光系统相比，本实用新型的结构视场大、成像性能优，光谱分辨率高。

2.本实用新型提供的分光系统使用了自由曲面面型的反射镜，可改善各种球面系统无法平衡的像差，提高了系统的像质和光谱分辨率。

3.本实用新型采用凸面光栅，相比于平面光栅光谱弯曲和色畸变小。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种基于自由曲面的分光成像系统的结构示意图；

图2是本实用新型一个实施例提供的分光成像系统的全视场全波段传递函数MTF曲线图；

图3是本实用新型一个实施例提供的分光成像系统全视场全工作波段的点列图；

图中，1.入射狭缝；2.球面反射镜；3. 凸面光栅；4. 自由曲面反射镜；5.成像传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案作进一步的阐述。

实施例1

本实施例提供一种基于自由曲面的分光成像系统。

参见附图1，它是本实施例提供的分光成像系统的结构示意图，系统采用全反射式结构，沿光线入射方向，它的光学系统的元件主要包含入射狭缝1、主反射镜为球面反射镜2、凸面光栅3、第三反射镜为自由曲面反射镜4和成像传感器5；入射狭缝1为一个长为20mm的狭缝光阑，凸面光栅3与球面反射镜2共轴同心，系统光阑位于凸面光栅3上；入射狭缝1和成像传感器5位于凸面光栅3非衍射面一侧，球面反射镜2和自由曲面反射镜4位于凸面光栅3的衍射面一侧；入射狭缝1和球面反射镜2位于光轴同一侧，自由曲面反射镜4和成像传感器5位于光轴另一侧；球面反射镜2与凸面光栅3共轴同心。

远心光线从入射狭缝1入射，经球面反射镜2反射后，以会聚光束的形式入射到凸面光栅3上；会聚光束经过凸面光栅3衍射后实现光谱分光；分光后得到的发散光束再通过自由曲面反射镜4反射，会聚于成像传感器5，实现高光谱成像。

光学系统按xyz右手空间坐标系排列，z轴方向为光轴方向，Y轴正方向向上，x轴垂直于yz平面，入射狭缝在xz平面内，入射狭缝长度方向平行于x轴，入射狭缝宽度方向平行于y轴，色散面在xz平面内，色散方向沿y轴方向。

本实施例提供的分光成像系统，自由曲面反射镜为6次XY多项式自由曲面，自由曲面所在坐标系为以自由曲面反射镜的顶点为原点O构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向为垂直纸面向里，面型表达式z（x,y）为：

其中曲率c、二次曲面系数k以及各项系数A _i的值分别为：

c=-1.17×10^-2，k=0.046；系数A _i中， A₂ =-0.241，A₃=0.725，A₅=0.751，A₇=2.6×10^-2，A₉=1.9×10^-2，A₁₀=0.195, A₁₂=0.466, A₁₄=0.302，A₁₆=0.144,A₁₈=0.307，A₂₀=0.158，A₂₃=0.073，A₂₅=0.322，A₂₇=0.372。

本实施例提供的分光成像系统的性能参数满足表1的条件。

表1：

本实施例各光学元件（面）满足表2的条件。

表2：

依据表2中的各元件数据，本实施例提供的分光成像系统的总长L为105mm。

参见附图2，它是本实施例提供的分光成像系统的全波段传递函数MTF曲线图；图中，（a）图，（b）图，（c）图，（d）图是在波长分别为400nm、600nm、800nm、1000nm对应像面上的所有视场传递函数MTF曲线。由图2可知，在100lp/mm下400nm到1000nm工作波段全视场的光学传递函数均大于0.3，曲线平滑紧凑，说明系统成像清晰、均匀，系统在全波段以及全视场具有较好的成像质量及高分辨率。

参见附图3，它是本实施例提供的分光成像系统在全视场全工作波段的点列图。由图3可知，在全视场全工作波段中，子午和弧矢方向光斑均匀，系统的像差尤其是像散得到了较好的校正，能量集中，满足使用要求。

结果证明，本实用新型提供的分光成像系统，工作波段400nm到1000nm，其工作F数可达3，视场即狭缝长度可达20mm。在紧凑的结构下，全工作波段、全视场的光学传递函数均大于0.3，成像质量较好，满足分光成像系统宽视场、高分辨率要求。

Claims (8)

1.一种基于自由曲面的分光成像系统，其特征在于：它为全反射式结构，包括入射狭缝（1）、球面反射镜（2）、凸面光栅（3）、自由曲面反射镜（4）及成像传感器（5）；入射狭缝（1）和成像传感器（5）位于凸面光栅（3）的非衍射面一侧，球面反射镜（2）和自由曲面反射镜（4）位于凸面光栅（3）的衍射面一侧；入射狭缝（1）和球面反射镜（2）位于光轴同一侧，自由曲面反射镜（4）和成像传感器（5）位于光轴的另一侧；球面反射镜（2）与凸面光栅（3）共轴同心；系统光阑位于凸面光栅（3）上；

入射的远心光线经入射狭缝（1）入射，由球面反射镜（2）反射后，会聚光束入射至凸面光栅（3）的衍射面上，经光谱分光后的发散光束经自由曲面反射镜（4）反射，会聚于成像传感器；

所述自由曲面反射镜（4）的面型为XY多项式自由曲面，所在坐标系为以自由曲面反射镜的顶点为原点O构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向为垂直纸面向里，坐标系中XY多项式自由曲面z(x,y)的方程式为：

式中，c为曲率，c=-1.17×10^-2；k为二次曲面系数，k=0.046；各项的系数值分别为 A₂ =-0.241，A₃=0.725，A₅=0.751，A₇=2.6×10^-2，A₉=1.9×10^-2，A₁₀=0.195, A₁₂=0.466, A₁₄=0.302，A₁₆=0.144,A₁₈=0.307，A₂₀=0.158，A₂₃=0.073，A₂₅=0.322，A₂₇=0.372。

2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统，其特征在于：入射狭缝的长度S的取值范围为5mm≤S≤50mm。

3.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统，其特征在于：凸面光栅的曲率半径R的取值范围为50mm≤R≤100mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统，其特征在于：球面反射镜的曲率半径R₁与凸面光栅的曲率半径R的比值K₁的取值范围为1.8≤K₁≤2.2。

5.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统，其特征在于：自由曲面反射镜的曲率半径R₂与凸面光栅的曲率半径R的比值K₂的取值范围为1.8≤K₂≤2.2。

6.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统，其特征在于：所述系统的总长L的取值范围为50mm≤L≤200mm。

7.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统，其特征在于：系统的工作F数的取值范围为2≤F≤5。

8.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统，其特征在于：系统的工作波段为400nm～1000nm。

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