CN217586050U

CN217586050U - 一种基于自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪

Info

Publication number: CN217586050U
Application number: CN202221519848.1U
Authority: CN
Inventors: 季轶群; 韩继周; 冯安伟
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2022-06-17
Filing date: 2022-06-17
Publication date: 2022-10-14
Anticipated expiration: 2032-06-17

Abstract

本实用新型涉及一种基于自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪。它的光学系统为自由曲面棱镜与多边棱镜胶合的浸没式结构，自由曲面棱镜与多边棱镜胶合处设置滤波片；狭缝、主反射镜、反射式光栅、次反射镜和短波红外探测器设置在自由曲面棱镜上；可见近红外探测器设置在多边棱镜上；系统的孔径光阑设置在反射式光栅上；主反射镜、反射式光栅和次反射镜的反射面均为6次多项式自由曲面。本实用新型提供的成像光谱仪具有宽波段，结构紧凑的特点，较好的控制了全波段全视场像差，获得较好的成像质量和分辨率，其小体积且易于装调的优点具有广泛的应用前景。

Description

一种基于自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪

技术领域

本实用新型属于光谱成像技术领域，特别涉及一种结构紧凑、小体积的基于自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪。

背景技术

高光谱成像技术能够获取目标场景的图像信息和高分辨率的光谱信息，通过获取的光谱数据可以进行物质识别和成分分析，在林业资源调查、火灾预警、水资源污染、矿物勘探等领域有着广阔的应用需求。随着无人机载遥感技术的发展，利用无人机在高空对地进行高光谱成像的技术日益成熟，这使得对成像光谱仪的体积与视场有了更高的要求。

近年来，随着先进制造技术的不断进步，自由曲面越来越被广泛应用到各种成像系统中。自由曲面具有非旋转对称性，在光学设计中可以带来更高的设计自由度，有利于同时提升像质和减小系统体积。浸没式的设计通过用高折射率的材料代替空气，可以将元件集成于一体并进一步缩小体积，解决了系统装调困难的问题。将浸没式设计引入自由曲面成像光谱仪中，可以进一步缩小体积，获得结构更紧凑且系统参数更高的成像光谱仪，具有非常重要的意义。

现有技术中，文献《Design of a compact wide-spectrum double-channelprism imaging spectrometer with freeform surface》（Applied Optics， Volume 57,Issue 31）提出了一种基于offner结构的双波段成像光谱系统，其F数为3，视场为30°，工作波段为400nm到2500nm,体积为5040 cm³，体积较大。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供了一种基于自由曲面棱镜的轻小型、结构紧凑，长入射狭缝的双波段成像光谱仪。

实现本实用新型发明目的的技术方案是提供一种基于自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪，它的光学系统为自由曲面棱镜与多边棱镜胶合的浸没式结构，自由曲面棱镜与多边棱镜胶合面处设置滤波片；狭缝、主反射镜，反射式光栅、次反射镜和短波红外探测器设置在自由曲面棱镜上；可见近红外探测器设置在多边棱镜上；系统的孔径光阑设置在反射式光栅上；

以所述狭缝所在的空间定义为第一三维直角坐标系(x₁，y₁，z₁)，第一三维直角坐标系(x₁，y₁，z₁) 的原点在狭缝的中心，光线入射方向为z₁轴正方向，y₁轴正方向向上，x₁轴正方向为垂直纸面向里；

以所述主反射镜所在的空间定义为第二三维直角坐标系(x₂，y₂，z₂)，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) 原点向z₁正方向平移118～119mm处，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13°～14°；

以所述反射式光栅所在的空间定义为第三三维直角坐标系(x₃，y₃，z₃)，第三三维直角坐标系(x₃，y₃，z₃)的原点在所述第二三维直角坐标系(x₂，y₂，z₂) 原点向y₂正方向平移21～22mm，向z₂负方向平移114～115mm处，z₃轴正方向相对于第二三维直角坐标系(x₂，y₂，z₂)的z₂轴正方向顺时针旋转23°～24°；

以所述次反射镜所在的空间定义为第四三维直角坐标系 (x₄，y₄，z₄)，第四三维直角坐标系 (x₄，y₄，z₄)的原点在所述第三三维直角坐标系(x₃，y₃，z₃) 原点向y₃负方向平移14～15mm，向z₃负方向平移111～112mm处，z₄轴正方向相对于第三三维直角坐标系(x₃，y₃，z₃)的z₃轴正方向顺时针旋转19°～20°；

以所述滤波片所在的空间定义为第五三维直角坐标系 (x₅，y₅，z₅)，第五三维直角坐标系 (x₅，y₅，z₅)的原点在所述第四三维直角坐标系 (x₄，y₄，z₄) 原点向z₄负方向平移103～104mm处，z₅轴正方向相对于第四三维直角坐标系 (x₄，y₄，z₄)的z₄轴正方向逆时针旋转30°；

以所述可见近红外探测器所在的空间定义为第六三维直角坐标系(x₆，y₆，z₆)，第六三维直角坐标系(x₆，y₆，z₆)的原点在所述第五三维直角坐标系 (x₅，y₅，z₅) 原点向y₅负方向平移8～9mm，向z₅正方向平移40mm处，z₆轴正方向相对于第五三维直角坐标系 (x₅，y₅，z₅)的z₅轴正方向顺时针旋转16°～17°；

以所述短波红外探测器所在的空间定义为第七三维直角坐标系(x₇，y₇，z₇)，第七三维直角坐标系(x₇，y₇，z₇)的原点在所述第五三维直角坐标系 (x₅，y₅，z₅) 原点向y₅正方向平移8～9mm，向z₅正方向平移40mm处，z₇轴正方向相对于第五三维直角坐标系 (x₅，y₅，z₅)的z₅轴正方向逆时针旋转16°～17°；

所述设置于自由曲面棱镜的主反射镜、反射式光栅、次反射镜的面型分别对应为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；自由曲面的面型表达式z为：

；

其中， c为曲率；k为二次曲面系数；A ₁～A ₂₇分别为各多项式的系数；

所述反射式光栅的刻线方向平行于x₃方向，刻线密度为150条/mm，衍射级次为1级；

所述滤波片的工作面与第五三维直角坐标系中的x₅y₅所在平面平行，工作面中心与第五坐标系原点重合；

所述可见近红外探测器的探测面与第六三维直角坐标系中的x₆y₆所在平面平行，探测面中心与第六坐标系原点重合；

所述短波红外探测器的探测面与第七三维直角坐标系中的x₇y₇所在平面平行，探测面中心与第七坐标系原点重合。

本实用新型提供的一种基于自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪，其一个优选的方案是：所述主反射镜、反射式光栅、次反射镜的6次XY多项式自由曲面，其曲率c、二次曲面系数k、多项式系数A₁～A₂₇的取值分别为：

	主反射镜	反射式光栅	次反射镜
				<i>c</i>	-0.01862	1.27693E-153	-0.04548
<i>k</i>	-0.98477	0	-0.99951
				<i>A</i><sub>1</sub>	0	0	0
<i>A</i><sub>2</sub>	-0.02855	-8.70887E-06	-0.06669
				<i>A</i><sub>3</sub>	5.99089E-03	-2.82971E-03	0.02066
<i>A</i><sub>4</sub>	0	0	0
				<i>A</i><sub>5</sub>	5.81844E-03	-5.68415E-03	0.02020
<i>A</i><sub>6</sub>	0	0	0
				<i>A</i><sub>7</sub>	-3.08427E-06	-5.80109E-05	-1.64509E-06
<i>A</i><sub>8</sub>	0	0	0
				<i>A</i><sub>9</sub>	9.15345E-07	3.38679E-05	2.30573E-07
<i>A</i><sub>10</sub>	-2.75419E-08	-4.07969E-07	-1.97595E-08
				<i>A</i><sub>11</sub>	0	0	0
<i>A</i><sub>12</sub>	-7.85000E-08	-8.10764E-07	-1.30246E-08
				<i>A</i><sub>13</sub>	0	0	0
<i>A</i><sub>14</sub>	-2.72602E-08	-2.32277E-07	-9.68101E-09
				<i>A</i><sub>15</sub>	0	0	0
<i>A</i><sub>16</sub>	-1.24718E-10	-1.61505E-08	-1.30679E-12
				<i>A</i><sub>17</sub>	0	0	0
<i>A</i><sub>18</sub>	-1.56336E-10	1.54569E-09	-1.25840E-10
				<i>A</i><sub>19</sub>	0	0	0
<i>A</i><sub>20</sub>	4.98823E-11	9.89587E-09	-2.96839E-10
				<i>A</i><sub>21</sub>	-1.01149E-12	-8.19456E-11	-2.56367E-13
<i>A</i><sub>22</sub>	0	0	0
				<i>A</i><sub>23</sub>	-2.52556E-12	-6.39162E-10	-2.21304E-12
<i>A</i><sub>24</sub>	0	0	0
				<i>A</i><sub>25</sub>	-1.05965E-11	2.48611E-09	5.56526E-12
<i>A</i><sub>26</sub>	0	0	0
				<i>A</i><sub>27</sub>	-7.97297E-12	-1.04253E-08	5.46710E-12

本实用新型提供的一种基于自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪，其狭缝长度为沿x₁方向10mm。光学系统的数值孔径为0.14，F数为3.57。

本实用新型提供的双波段成像光谱仪，其工作波段为400nm到2500nm。在工作状态时，通过入射狭缝的光线经主反射镜反射，形成第一反射光；反射式光栅设置在主反射镜的反射光路上，入射光线发生色散，用于将第一反射光进行分光并二次反射，形成第二反射光；分光光线经设置在反射式光栅反射光路上的次反射镜，将第二反射光再次反射，形成第三反射光，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；滤波片用于接收第三反射光并分光，波段为400nm到1000nm的光将透过滤波片，到达多边棱镜上的可见近红外探测器并成像，波段为1000nm到2500nm的光将被滤波片反射，到达自由曲面棱镜上的短波红外探测器并成像。

本实用新型提供的双波段成像光谱仪，其成像方法为：物方光线通过设置于自由曲面棱镜的狭缝入射，经主反射镜反射至反射式光栅，分光后的光线经次反射镜反射，到达滤波片，可见近红外波段的光线经滤波片透射到达设置于多边棱镜的可见近红外探测器成像,短波红外波段的光线经滤波片反射到达设置于自由曲面棱镜的短波红外探测器成像。

本实用新型将自由曲面与离轴三反的结构应用到成像光谱系统设计中，利用自由曲面以校正离轴产生的像差并减小系统体积，同时采用了浸没式将元件集成于棱镜中，进一步减小系统体积，以同时实现成像光谱系统的轻小型化、结构简单紧凑与高像质成像。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型使用浸没式设计将元件集成于棱镜，采用滤波片结构实现双波段光谱成像，相比传统的结构，元件易于装调。

2.本实用新型使用反射式光栅进行分光，并且光栅的面型为自由曲面，可以在获得较好的光谱分辨率的同时对像差进行校正。

3.本实用新型采用离轴式结构，且三个光学表面都为自由曲面，同时采用了浸没式，大大缩小了系统的体积，并且有着较长的狭缝和宽工作波段，有利于应用到无人机载高空高光谱成像技术中。

附图说明

图1是本实用新型实施例提供的一种双波段成像光谱仪光学系统的结构平面示意图;

图2是本实用新型一个实施例提供的双波段成像光谱仪光学系统中各元件结构及所在坐标系的示意图；

图3是本实用新型一个实施例提供的双波段成像光谱仪的全视场全波段传递函数曲线MTF曲线图；

图4是本实用新型一个实施例提供的全视场全工作波段的RMS光斑半径曲线图。

图中，1.自由曲面棱镜；11.入射狭缝；12.主反射镜；13.反射式光栅；14.次反射镜；15. 短波红外探测器；2.多边棱镜；21.可见近红外探测器；3.滤波片。

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

本实施例提供一种工作波段为400nm到2500nm的双波段成像光谱仪。

参见附图1，它是本实施例提供的一种基于自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪光学系统的结构平面示意图，光学系统的元件主要包括自由曲面棱镜1和多边棱镜2，两棱镜胶合，胶合面处设有滤波片3；自由曲面棱镜上设置入射狭缝11、主反射镜12、反射式光栅13、次反射镜14和短波红外探测器15；多边棱镜上设置可见近红外探测器21。光谱成像时，物方光线通过入射狭缝，依次经过主反射镜、反射式光栅以及次反射镜反射到达滤波片，其中，经过反射式光栅时进行分光，最后光线中波段为400nm到1000nm的部分透过滤波片到达可见近红外探测器并成像,光线中波段为1000nm到2500nm的部分经过滤波片反射到达短波红外探测器并成像。

参见附图2，它是本实施例提供的双波段成像光谱仪光学系统中各元件结构及所在坐标系的示意图；各元件的相对位置由如下坐标系确定：以入射狭缝的中心为原点构建第一三维直角坐标系(x₁，y₁，z₁)，通过入射狭缝中心的一条水平方向的直线为z₁轴，向左为负向右为正（光线入射方向为z₁轴正方向），y₁轴垂直于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；相对于第一三维直角坐标系(x₁，y₁，z₁)，以主反射镜所在的空间定义第二三维直角坐标系(x₂，y₂，z₂)，以反射式光栅所在的空间定义第三三维直角坐标系(x₃，y₃，z₃)；以次反射镜所在的空间定义第四三维直角坐标系 (x₄，y₄，z₄)，以滤波片所在的空间定义第五三维直角坐标系 (x₅，y₅，z₅)，以可见近红外探测器所在的空间定义第六三维直角坐标系(x₆，y₆，z₆)，以短波红外探测器所在的空间定义第七三维直角坐标系(x₇，y₇，z₇)。

第二三维直角坐标系(x₂，y₂，z₂)的原点在第一三维直角坐标系(x₁，y₁，z₁)的(0,0,118.65194)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13.80746°。

第三三维直角坐标系(x₃，y₃，z₃)的原点在第二三维直角坐标系(x₂，y₂，z₂)的(0,21.29270,-114.47325)位置(单位：mm)，z₃轴正方向相对于第二三维直角坐标系(x₂，y₂，z₂)的z₂轴正方向顺时针旋转23.92956°。

第四三维直角坐标系 (x₄，y₄，z₄)的原点在第三三维直角坐标系(x₃，y₃，z₃)的(0,-14.61372,111.92814)位置(单位：mm)，z₄轴正方向相对于第三三维直角坐标系(x₃，y₃，z₃)的z₃轴正方向顺时针旋转19.55533°。

第五三维直角坐标系 (x₅，y₅，z₅)的原点在第四三维直角坐标系 (x₄，y₄，z₄)的(0,0,-103.55807)位置(单位：mm)，z₅轴正方向相对于第四三维直角坐标系 (x₄，y₄，z₄)的z₄轴正方向逆时针旋转30°。

第六三维直角坐标系(x₆，y₆，z₆)的原点在第五三维直角坐标系 (x₅，y₅，z₅)的(0,-8.65,40)位置(单位：mm)，z₆轴正方向相对于第五三维直角坐标系 (x₅，y₅，z₅)的z₅轴正方向顺时针旋转16.57013°。

第七三维直角坐标系(x₇，y₇，z₇)的原点在第五三维直角坐标系 (x₅，y₅，z₅)的(0,8.65,40)位置(单位：mm)，z₇轴正方向相对于第五三维直角坐标系 (x₅，y₅，z₅)的z₅轴正方向逆时针旋转16.57013°。

光学系统的主反射镜、反射式光栅以及次反射镜的面型数学描述分别为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，自由曲面的面型表达式z为：

；

其中，每个曲面的曲率c、二次曲面系数k以及各多项式系数A _i的值参见表1。

表1

本实施例中，反射式光栅的刻线方向平行于x₃方向，刻线密度为150条/mm，衍射级次为1级。

滤波片的工作面与第五三维直角坐标系中的x₅y₅所在平面平行，工作面中心与第五坐标系原点重合。

可见近红外探测器的探测面与第六三维直角坐标系中的x₆y₆所在平面平行，探测面中心与第六坐标系原点重合。

短波红外探测器的探测面与第七三维直角坐标系中的x₇y₇所在平面平行，探测面中心与第七坐标系原点重合。

本实施例提供的光学系统中，使用棱镜进行集成，棱镜的材料为BAF2（氟化钡）。

本实施例提供的成像光谱仪其性能参数满足表2的条件。

表2

光谱范围	400nm～2500nm
		物方数值孔径	0.14
工作F数	3.57
		像平面色散宽度	6mm/14mm
狭缝长度	10mm
		刻线密度	150条/mm
光谱分辨率	3.5nm
		体积	405 cm<sup>3</sup>
可见近红外探测器像元	14µm×14µm
		短波红外探测器像元	18µm×18µm

参见附图3，它是本实施例提供的成像光谱仪的全波段传递函数MTF曲线图；图中，（a），（b），（c），（d），（e）和（f）分别是本实施例提供的成像光谱仪在波长分别为400nm、700nm、1000nm、1500nm、2000nm和2500nm对应像面上的所有视场传递函数MTF曲线。由图3可知，在36lp/mm下400nm到1000nm工作波段全视场的光学传递函数均大于0.5，在28lp/mm下1000nm到2500nm工作波段全视场的光学传递函数均大于0.3，接近衍射极限，曲线平滑紧凑，说明此系统成像清晰、均匀，系统在全波段以及全视场具有较好的成像质量。

参见附图4，它是本实施例提供的成像光谱仪在全视场全工作波段中的RMS光斑半径曲线图。曲线（a）是全视场全工作波段的RMS半径，曲线（b）是衍射极限下全工作波段的RMS半径。由图4可知，在全视场全工作波段中，系统的RMS均方根光斑半径小于4.5μm，且小于衍射极限RMS半径，能量集中，满足使用要求。

结果证明，本实用新型提供的自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪，其工作F数可达3.57，狭缝长度可达10mm，工作波段400nm到2500nm，在采样频率内，全工作波段、全视场的光学传递函数均接近衍射极限，成像质量较好，体积仅为405 cm³，满足无人机载光谱成像系统宽波段、宽视场、小型化和高分辨率要求。

Claims

1.一种基于自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪，其特征在于：它的光学系统为自由曲面棱镜（1）与多边棱镜（2）胶合的浸没式结构，自由曲面棱镜与多边棱镜胶合面处设置滤波片（3）；狭缝（11）、主反射镜（12），反射式光栅（13）、次反射镜（14）和短波红外探测器（15）设置在自由曲面棱镜上；可见近红外探测器（21）设置在多边棱镜上；系统的孔径光阑设置在反射式光栅上；

以所述狭缝所在的空间定义为第一三维直角坐标系(x₁，y₁，z₁)，第一三维直角坐标系(x₁，y₁，z₁) 的原点在狭缝的中心，入射光线的入射方向为z₁轴正方向，y₁轴正方向向上，x₁轴正方向为垂直纸面向里；

；

2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪，其特征在于：所述主反射镜、反射式光栅、次反射镜的6次XY多项式自由曲面，其曲率c、二次曲面系数k、多项式系数A₁～A₂₇的取值分别为：

主反射镜反射式光栅次反射镜 c -0.01862 1.27693E-153 -0.04548 k -0.98477 0 -0.99951 A1 0 0 0 A2 -0.02855 -8.70887E-06 -0.06669 A3 5.99089E-03 -2.82971E-03 0.02066 A4 0 0 0 A5 5.81844E-03 -5.68415E-03 0.02020 A6 0 0 0 A7 -3.08427E-06 -5.80109E-05 -1.64509E-06 A8 0 0 0 A9 9.15345E-07 3.38679E-05 2.30573E-07 A10 -2.75419E-08 -4.07969E-07 -1.97595E-08 A11 0 0 0 A12 -7.85000E-08 -8.10764E-07 -1.30246E-08 A13 0 0 0 A14 -2.72602E-08 -2.32277E-07 -9.68101E-09 A15 0 0 0 A16 -1.24718E-10 -1.61505E-08 -1.30679E-12 A17 0 0 0 A18 -1.56336E-10 1.54569E-09 -1.25840E-10 A19 0 0 0 A20 4.98823E-11 9.89587E-09 -2.96839E-10 A21 -1.01149E-12 -8.19456E-11 -2.56367E-13 A22 0 0 0 A23 -2.52556E-12 -6.39162E-10 -2.21304E-12 A24 0 0 0 A25 -1.05965E-11 2.48611E-09 5.56526E-12 A26 0 0 0 A27 -7.97297E-12 -1.04253E-08 5.46710E-12

。

3.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪，其特征在于：所述狭缝长度为沿x₁方向10mm。

4.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪，其特征在于：所述光学系统的数值孔径为0.14，F数为3.57。