TW201937228A - 自由曲面成像光譜儀系統 - Google Patents

自由曲面成像光譜儀系統 Download PDF

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Abstract

本發明涉及一種自由曲面成像光譜儀系統，包括：一主鏡，位於光線的光路上；一次鏡，位於主鏡的光路上；一三鏡，位於次鏡的光路上；以及一探測器，光線依次經過所述主鏡、次鏡和三鏡的反射後，被該探測器接收到並成像。所述次鏡為系統的孔徑光闌。所述主鏡和三鏡的反射面均為六次自由曲面。所述次鏡為具有六次自由曲面面形的光柵，該自由曲面面形的光柵由一組等間距的平行平面與自由曲面相交而得到。

Description

自由曲面成像光譜儀系統
本發明涉及光學設計領域，尤其涉及一種自由曲面成像光譜儀系統。
光譜技術在生物醫學、化學分析、地球遙感探測、宇宙探索等領域有著重要應用，其中的關鍵儀器是具有色散器件的光學系統。具有色散器件的光學系統具有更大的視場、更寬的光譜範圍、更高的解析度，能夠推動相關應用領域學科的發展，是人們長期以來所不懈追求的目標。
自由曲面是指無法用球面或非球面係數來表示的非傳統曲面，自由曲面是不具有對稱性的複雜面形的光學曲面。自由曲面光學涵括了具有至少一個自由曲面的光學系統的設計。近十幾年來，自由曲面光學的快速發展不但為光學系統的性能帶來了全方位的提升，而且還實現了許多以往難以設計、或者從來沒有過的光學系統，為光學設計領域帶來了革命性的突破。
然而，先前的成像光譜儀較少採用自由曲面來設計，原因是自由曲面的變數較多，自由度太大，系統的體積、重量與鏡片數量等考慮因素很多，很難設計出結構簡單、成本低廉且具有較好成像效果的成像光譜儀。
綜上所述，確有必要提供一種結構簡單、成本低廉且具有較好成像效果的自由曲面成像光譜儀系統。
一種自由曲面成像光譜儀系統，在該自由曲面成像光譜儀系統的狹縫所在空間中，以狹縫上中心視場的物點作為原點定義一全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ），該自由曲面成像光譜儀系統包括： 一主鏡，以所述主鏡的頂點為第一原點定義一第一三維直角坐標系（X，Y，Z），且該第一三維直角坐標系（X，Y，Z）為所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Z軸正方向和Y軸正方向平移得到，在該第一三維直角坐標系（X，Y，Z）中，所述主鏡的反射面為一xy多項式自由曲面； 一次鏡，以所述次鏡的頂點為第二原點定義一第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'），且該第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）為所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Z軸正方向和Y軸負方向平移得到，在該第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）中，所述次鏡的反射面為一x'y'多項式自由曲面，該次鏡為孔徑光闌，且該次鏡為具有自由曲面面形的光柵，該自由曲面面形的光柵由由一組等間距平行平面與自由曲面相交而得到； 一三鏡，以所述三鏡的頂點為第三原點定義一第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''），且該該第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）為所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Z軸正方向和Y軸正方向平移得到，在該第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）中，所述三鏡的反射面為一x''y''多項式自由曲面；以及 一探測器，光線依次經過所述主鏡、次鏡和三鏡的反射後，被該探測器接收到並成像。
相較於先前技術，本發明提供的自由曲面成像光譜儀系統結構簡單、成本低廉且具有較好成像效果，能夠在保持緊湊結構的同時實現低畸變、長狹縫、寬光譜範圍和高光譜解析度，具有極高的綜合性能。
下面將結合附圖及具體實施例對本發明作進一步的詳細說明。
請參閱圖1和2，本發明實施例提供一種自由曲面成像光譜儀系統100。其中，該自由曲面成像光譜儀系統100包括相鄰且間隔設置的一主鏡102、一次鏡104、以及一三鏡106，從光源出射的光線依次經過所述主鏡102、次鏡104、以及三鏡106的反射後，被一探測器108接收到並成像。
所述主鏡102、次鏡104和三鏡106的面形均為自由曲面。所述次鏡104為孔徑光闌。所述次鏡104為具有自由曲面面形的光柵，該自由曲面面形的光柵由一組等間距的平行平面與自由曲面相交而得到，平行平面之間的距離為柵距。本實施例中，自由曲面面形的光柵由一組等間距的平行平面與自由曲面相交而得到，且所述光柵的柵距為0.007毫米。
為了描述方便，在狹縫所在空間中，狹縫上中心視場的物點作為原點定義一全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ），將所述主鏡102所處的空間定義一第一三維直角坐標系（X，Y，Z）、次鏡104所處的空間定義一第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）、三鏡106所處的空間定義一第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）。
在全局三維直角坐標系中，X軸通過全局三維直角坐標系的原點並與狹縫長度方向重合，垂直於圖1所示的平面向裡為正、向外為負；Y軸在圖1所示的平面內方向豎直，向上為正、向下為負；Z軸在圖1所示的平面內方向水平，向右為正、向左為負。
所述主鏡102的頂點為所述第一三維直角坐標系（X，Y，Z）的原點。所述第一三維直角坐標系（X，Y，Z）為所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Z軸正方向和Y軸正方向平移得到。本實施例中，所述第一三維直角坐標系（X，Y，Z）由所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Y軸正方向平移約0.375mm，再沿Z軸正方向平移約130.943mm，然後以X軸為旋轉軸沿逆時針方向的旋轉角度約為5.188°得到。所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)的原點到所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）的原點的距離約為130.997mm。
在所述第一三維直角坐標系（X，Y，Z）中，所述主鏡102的反射面為xy的多項式自由曲面，該xy多項式自由曲面的方程式可表達為：， 其中，z為曲面矢高，c為曲面曲率，k為二次曲面係數，Ai 是多項式中第i項的係數。由於所述自由曲面成像光譜儀系統100關於YZ平面對稱，因此，可以僅保留X的偶次項。優選的，所述主鏡102的反射面一xy多項式自由曲面，所述xy多項式為x的偶次多項式，x的最高次數為6次，該xy多項式自由曲面的方程式可表達為：。
本實施例中，所述主鏡102反射面的xy多項式中曲率c、二次曲面係數k以及各項係數Ai 的值請參見表1。可以理解，曲率c、二次曲面係數k以及各項係數Ai的值也不限於表1中所述，本領域具有通常知識者可以根據實際需要調整。 表1主鏡的反射面的xy多項式中的各係數的值
所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）的原點為所述次鏡104的頂點。所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）為所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Z軸正方向和Y軸負方向平移得到。本實施例中，所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）由所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Y軸負方向平移約18.001mm，再沿Z軸正方向平移約46.046mm，然後以X軸為旋轉軸沿逆時針方向的旋轉角度約為43.336°得到。所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）的原點到所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）的原點的距離約為49.442mm。
在所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）中，所述次鏡104的反射面為x'y'的多項式自由曲面，該x'y'多項式自由曲面的方程式可以表達為：， 其中，z'為曲面矢高，c'為曲面曲率，k'為二次曲面係數，Ai '是多項式中第i項的係數。由於所述自由曲面成像光譜儀系統100關於Y'Z'平面對稱，因此，可以僅保留X'的偶次項。優選的，所述次鏡104的反射面為一x'y'多項式自由曲面，所述x'y'多項式為x'的偶次多項式，x'的最高次數為6次，該x'y'多項式自由曲面的方程式可表達為：。
本實施例中，所述次鏡104反射面的x'y'多項式中曲率c'、二次曲面係數k'以及各項係數Ai '的值請參見表2。可以理解，曲率c'、二次曲面係數k'以及各項係數Ai '的值也不限於表2中所述，本領域具有通常知識者可以根據實際需要調整。 表2次鏡的反射面的x'y'多項式中的各係數的值
所述第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）的原點為所述第三反射鏡的頂點。該第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）為所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Z軸正方向和Y軸正方向平移得到。本實施例中，所述第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）為所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Z軸正方向平移約93.370mm，再沿Y軸正方向平移約44.689mm，然後繞X軸逆時針旋轉角度約為47.862°得到。所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')的原點到所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）的原點的距離約為103.513mm。
在所述第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）中，所述三鏡106的反射面為x''y''的多項式自由曲面，該x''y''多項式曲面的方程式可以表達為：， 其中，z''為曲面矢高，c''為曲面曲率，k''為二次曲面係數，Ai''是多項式中第i項的係數。由於所述自由曲面成像光譜儀系統100關於Y''Z''平面對稱，因此，可以僅保留x''的偶次項。優選的，所述三鏡108的反射面一x''y''多項式自由曲面，所述x''y''多項式為x''的偶次多項式，x''的最高次數為6次，該x''y''多項式自由曲面的方程式可表達為：。
本實施例中，所述三鏡106反射面面形的x''y''多項式中，曲率c''、二次曲面係數k''以及各項係數Ai ''的值請參見表3。可以理解，曲率c''、二次曲面係數k''以及各項係數Ai ''的值也不限於表3中所述，本領域具有通常知識者可以根據實際需要調整。 表3三鏡的反射面的x''y''多項式中的各係數的值
所述主鏡102、次鏡104和三鏡106的材料不限，只要保證其具有較高的反射率即可。所述主鏡102、次鏡104和三鏡106可選用鋁、銅等金屬材料，也可選用碳化矽、二氧化矽等無機非金屬材料。為了進一步增加所述主鏡102、次鏡104和三鏡106的反射率，可在其各自的反射面鍍一增反膜，該增反膜可為一金膜。所述主鏡102、次鏡104和三鏡106的尺寸不限。本實施例中，所述自由曲面成像光譜儀系統100的結構尺寸約為132×85×62mm。
在所述全局三維直角坐標系（X0，Y0，Z0）中，所述探測器108的中心與所述三鏡106的頂點沿Z軸反方向的距離約為391.895mm，所述探測器108的中心沿Y軸正方向偏離Z軸，偏離量約為33.491mm。所述探測器108與XY平面沿順時針方向的角度約為7.435°。所述探測器108的尺寸根據實際需要進行設計。本實施例中，所述探測器108的尺寸為8μm×8μm。
所述自由曲面成像光譜儀系統100的光譜波長範圍為400納米到1000納米。當然，所述自由曲面成像光譜儀系統100的光譜波長並不限於本實施例，本領域具有通常知識者可以根據實際需要調整。所述自由曲面成像光譜儀系統100的光譜解析度可以達到2納米以上。
所述自由曲面成像光譜儀系統100的F數小於等於3.0。本實施例中，所述自由曲面成像光譜儀系統100的F數為3.0，相對孔徑大小D/f為所述F數的倒數，即，所述自由曲面成像光譜儀系統100的相對孔徑大小D/f為1/3。
所述自由曲面成像光譜儀系統100的數值孔徑為0.1～0.2，本實施例中，所述自由曲面成像光譜儀系統100的數值孔徑為0.16。
所述自由曲面成像光譜儀系統100的狹縫長度為8～12毫米，狹縫寬度為6～10微米。本實施例中，所述自由曲面成像光譜儀系統100的狹縫長度為10毫米，狹縫寬度8微米。
所述自由曲面成像光譜儀系統100的放大倍率為1:1。
所述自由曲面成像光譜儀系統100的色畸變小於20%像素大小（pixel size），譜線彎曲小於20%像素大小（pixel size）。在不同的系統指標下，該自由曲面成像光譜儀系統100的色畸變和譜線彎曲可以做到更小。
請參閱圖3，為所述自由曲面成像光譜儀系統100的波像差，從圖中可以看出，自由曲面成像光譜儀系統100在各個波長、各個視場位置都達到了衍射極限。說明該自由曲面成像光譜儀系統100的成像品質很好。
本發明提供的自由曲面成像光譜儀系統100採用離軸三反系統的結構尺寸為132×85×62 mm，結構緊湊。該自由曲面成像光譜儀的F數只有3.0，能夠獲得高分率的圖像。該自由曲面成像光譜儀的色畸變和譜線彎曲＜20%的像尺寸，狹縫長度為10mm，光譜範圍為400-1000nm，光譜解析度為2nm，能夠在保持緊湊結構的同時實現低畸變、長狹縫、寬光譜範圍和高光譜解析度，具有極高的綜合性能。
本發明提供的自由曲面成像光譜儀系統100應用領域涉及到對地觀測、空間目標探測、天文觀測、多光譜熱成像、立體測繪等。本發明提供的自由曲面成像光譜儀系統100在可見光波段達到了衍射極限，可以在可見光下進行使用，也可以在紅外波段進行使用。
綜上所述，本發明確已符合發明專利之要件，遂依法提出專利申請。惟，以上所述者僅為本發明之較佳實施例，自不能以此限制本案之申請專利範圍。舉凡習知本案技藝之人士援依本發明之精神所作之等效修飾或變化，皆應涵蓋於以下申請專利範圍內。
100‧‧‧自由曲面成像光譜儀系統
102‧‧‧主鏡
104‧‧‧次鏡
106‧‧‧三鏡
108‧‧‧探測器
圖1為本發明實施例提供的自由曲面成像光譜儀系統的結構光路圖的主視圖。
圖2為本發明實施例提供的自由曲面成像光譜儀系統的結構光路圖的俯視圖。
圖3為本發明實施例提供的自由曲面成像光譜儀系統的波像差圖。
無

Claims (10)

  1. 一種自由曲面成像光譜儀系統，其中：在該自由曲面成像光譜儀系統的狹縫所在空間中，以狹縫上中心視場的物點作為原點定義一全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ），該自由曲面成像光譜儀系統包括： 一主鏡，以所述主鏡的頂點為第一原點定義一第一三維直角坐標系（X，Y，Z），且該第一三維直角坐標系（X，Y，Z）為所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Z軸正方向和Y軸正方向平移得到，在該第一三維直角坐標系（X，Y，Z）中，所述主鏡的反射面為一xy多項式自由曲面； 一次鏡，以所述次鏡的頂點為第二原點定義一第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'），且該第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）為所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Z軸正方向和Y軸負方向平移得到，在該第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）中，所述次鏡的反射面為一x'y'多項式自由曲面，該次鏡為孔徑光闌，且該次鏡為具有自由曲面面形的光柵，該自由曲面面形的光柵由由一組等間距平行平面與自由曲面相交而得到； 一三鏡，以所述三鏡的頂點為第三原點定義一第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''），且該該第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）為所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Z軸正方向和Y軸正方向平移得到，在該第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）中，所述三鏡的反射面為一x''y''多項式自由曲面；以及 一探測器，光線依次經過所述主鏡、次鏡和三鏡的反射後，被該探測器接收到並成像。
  2. 如請求項第1項所述的自由曲面成像光譜儀系統，其中，將平行平面之間的距離定義為柵距，所述光柵的柵距為0.007毫米。
  3. 如請求項第1項所述的自由曲面成像光譜儀系統，其中，在該第一三維直角坐標系（X，Y，Z）中，所述主鏡的反射面為一xy多項式自由曲面，所述xy多項式為x的偶次多項式，x的最高次數為6次，該xy多項式自由曲面的方程式為：， 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. 如請求項第1項所述的自由曲面成像光譜儀系統，其中，在第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）中，所述次鏡的反射面為一x'y'多項式自由曲面，所述x'y'多項式為x'的偶次多項式，x'的最高次數為6次，該x'y'多項式自由曲面的方程式為：， 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. 如請求項第1項所述的自由曲面成像光譜儀系統，其中，第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）中，所述三鏡的反射面為一x''y''多項式自由曲面，所述x''y''多項式為x''的偶次多項式，x''的最高次數為6次，該x''y''多項式自由曲面的方程式為：， 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. 如請求項第1項所述的自由曲面成像光譜儀系統，其中，該自由曲面成像光譜儀系統的F數小於等於3.0。
  7. 如請求項第1項所述的自由曲面成像光譜儀系統，其中，該自由曲面成像光譜儀系統的狹縫長度為8～12毫米，狹縫寬度為6～10微米。
  8. 如請求項第1項所述的自由曲面成像光譜儀系統，其中，所述第一三維直角坐標系（X，Y，Z）由所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Y軸正方向平移0.375mm，再沿Z軸正方向平移130.943mm，然後以X軸為旋轉軸沿逆時針方向的旋轉角度為5.188°得到；所述第一三維直角坐標系(X，Y，Z)的原點到所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）的原點的距離約為130.997mm。
  9. 如請求項第1項所述的自由曲面成像光譜儀系統，其中，所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）由所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Y軸負方向平移18.001mm，再沿Z軸正方向平移46.046mm，然後以X軸為旋轉軸沿逆時針方向的旋轉角度為43.336°得到；所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）的原點到所述第二三維直角坐標系（X'，Y'，Z'）的原點的距離為49.442mm。
  10. 如請求項第1項所述的自由曲面成像光譜儀系統，其中，所述第三三維直角坐標系（X''，Y''，Z''）為所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）沿Z軸正方向平移93.370mm，再沿Y軸正方向平移44.689mm，然後繞X軸逆時針旋轉角度為47.862°得到；所述第二三維直角坐標系(X'，Y'，Z')的原點到所述全局三維直角坐標系（X0 ，Y0 ，Z0 ）的原點的距離為103.513mm。
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