申请/专利权人：中国科学院光电研究院

申请日：2018-02-07

公开（公告）日：2020-10-23

公开（公告）号：CN108398186B

主分类号：G01J3/28(20060101)

分类号：G01J3/28(20060101);G01J3/18(20060101);G01J3/02(20060101)

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2020.10.23#授权;2018.09.07#实质审查的生效;2018.08.14#公开

摘要：本发明公开了一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统，包括：狭缝、主镜、凸面反射光栅、三镜和探测器，凸面反射光栅作为系统的孔径光阑；系统为像方远心结构，经过狭缝的入射到主镜后发生反射，经过反射后入射到凸面光，光线在凸面光栅处发生衍射，不同波长的一级衍射光入射到三镜上，并被三镜反射后到达探测器。系统采用自由曲面面形，主镜、凸面反射光栅与三镜均不存在偏心和倾斜，且主镜和三镜采用相同的面形结构，主镜和三镜构成一整块大的自由曲面反射镜，且该自由曲面反射镜和凸面反射光栅是同心配置。上述系统的结构简单，避免了由于反射镜倾斜和偏心给系统装调和对准带来的困难；还能有效的矫正球面Offner凸面光栅光谱系统很难矫正的残余像差。

主权项：1.一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统，其特征在于，包括：狭缝、主镜、凸面反射光栅、三镜和探测器，其中，凸面反射光栅作为整个系统的孔径光阑；系统为像方远心结构，经过狭缝入射到主镜后发生反射，经过反射后入射到凸面反射光栅，光线在凸面反射光栅处发生衍射，不同波长的一级衍射光入射到三镜上，并被三镜反射后到达探测器；主镜、凸面反射光栅与三镜均不存在偏心和倾斜，且主镜和三镜采用完全相同的面形结构，主镜和三镜构成一整块大的自由曲面反射镜，且该自由曲面反射镜和凸面反射光栅是同心配置；成像系统的光谱范围达到200-1500nm，覆盖深紫外、可见光到近红外波段，狭缝长度30mm，F数为3.8，像元大小为16μm，凸面反射光栅线对数的为150linesmm；系统在200nm，800nm，1000nm和1500nm的调制传递函数MTF在截止频率32linesmm时，所有视场的传递函数均接近衍射极限，且全系统所有波长的最大谱线弯曲和色畸变均小于1微米；所述主镜、凸面反射光栅与三镜均采用自由曲面面型表达；自由曲面方程表达为XY多项式或者Q-type多项式；其中：XY多项式表达式如下： 其中，r为曲率半径，z是矢高，x,y为曲面上点的空间坐标，c为曲率，k为曲面二次系数，cj为对应多项式的系数；Q-type多项式表达式为： 其中，z是矢高，cbfs是最佳拟合面的曲率，R是径向距离，rn是归一化半径，参数u＝Rrn，κ是最佳拟合面的圆锥常数，al是第l阶Qbfs多项式的系数，Qlbfs是第l阶Qbfs多项式。

全文数据：自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统技术领域[000Ί]本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统。背景技术[0002]光谱成像技术是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，它能够获得被探测目标的二维空间信息和一维光谱信息，形成数据立方体。光谱成像技术在军事侦察及农、林、水、土、矿灯资源调查等方面有着广阔的应用前景。[0003]Offner凸面光栅光谱成像系统是一种常见的光谱成像仪器，其是在反射式Offner中继成像系统基础上发展起来的，由两个凹球面反射镜和一个凸球面光栅组成。然而当前Offner凸面光栅系统采用球面结构，特别是在大视场、大数值孔径和宽谱段的情况下，残余像差像散很难得到矫正。另外，由于系统采用了衍射光栅破坏了Offner系统本身的同心结构的对称性，使得镜片发生倾斜和偏心，给系统装调带来了困难。[0004]自由曲面光学元件具有非对称结构形式，能够提供灵活的空间布局，相对球面和非球面光学元件拓展了优化自由度，提升了光学系统的相差平衡能力，从而显著改善光学系统的视场适应能力。在Offner凸面光栅成像光谱仪中引入自由曲面，利用其光学特性能够有效的增大光学系统的视场，使得Offner成像系统仍保持同心结构系统，实现整个光谱单台相机即可实现高分辨率、小型化、轻量化和高稳定性的要求;同时可以改善传统球面成像光谱系统的慧差、象散、谱线弯曲和谱带弯曲。将有效解决现有成像光谱系统覆盖范围小，相对孔径小等问题，为机载、星载高光谱成像探测系统研制奠定技术基础，具有极其重要的民用和军事应用价值。[0005]目前主要有如下两种方案：[0006]1王保华等“机载轻小型高分辨率成像光谱仪光学系统设计”光学学报，Vol.35，NO.102015.10.其采用全球面的Offner凸面光栅光谱成像系统。该方案其为了提高成像质量，将offner系统的主镜和三镜一分为二，且存在一定的偏心和倾斜，给系统的对准和装调带来很大的困难，且光谱范围与狭缝长度较小。[0007]2JacobReimers,uFreeformspectrometerenablingincreasedompactness”，Light:ScienceApplications20176，el7026。该设计虽然也米用了自由曲面，能够更好的矫正残余像差，且设计得到的光谱成像系统的体积比传统球面Offner光谱成像系统缩小了5倍。但狭缝长度较短仅为10mm，光谱范围较窄，且主镜和三镜分开，元件存在偏心和倾斜，给系统装调带来困难。发明内容[0008]本发明的目的是提供一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统，能够实现长狭缝、高数值孔径和宽谱段范围的情况下，系统的像差相对球面系统有显著的提高。[0009]本发明的目的是通过以下技术方案实现的：[0010]一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统，包括:狭缝、主镜、凸面反射光栅、三镜和探测器，其中，凸面反射光栅作为整个系统的孔径光阑；[0011]系统为像方远心结构，经过狭缝的入射到主镜后发生反射，经过反射后入射到凸面光，光线在凸面光栅处发生衍射，不同波长的一级衍射光入射到三镜上，并被三镜反射后到达探测器。[0012]由上述本发明提供的技术方案可以看出，采用自由曲面面形，这样系统的结构十分简单，避免了由于反射镜倾斜和偏心给系统装调和对准带来的困难;还能有效的矫正球面Offner凸面光栅光谱系统很难矫正的残余像差。附图说明[0013]为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。[0014]图1为本发明实施例提供的一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统的结构示意图；[0015]图2为本发明实施例提供的系统在200nm的调制传递函数MTF的结果；[0016]图3为本发明实施例提供的系统在800nm的调制传递函数MTF的结果；[0017]图4为本发明实施例提供的系统在IOOOnm的调制传递函数MTF的结果；[0018]图5为本发明实施例提供的系统在1500nm的调制传递函数MTF的结果。具体实施方式[0019]下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。[0020]如图1所示，为本发明实施例提供一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统的结构示意图；其主要包括:狭缝、主镜、凸面反射光栅、三镜和探测器。图1中，101-狭缝、102-主镜、103-凸面反射光栅、104-三镜、105-探测器。[0021]系统中凸面反射光栅作为整个系统的孔径光阑；系统为像方远心结构，经过狭缝的入射到主镜后发生反射，经过反射后入射到凸面光，光线在凸面光栅处发生衍射，不同波长的一级衍射光入射到三镜上，并被三镜反射后到达探测器。[0022]本发明实施例中，所述主镜、凸面反射光栅与三镜的面形结构不再是球面，而是采用自由曲面面型表达；自由曲面方程表达为XY多项式、Zernike多项式或者Q-type多项式；其中：[0023]XY多项式表达式如下：[0026]其中，r为曲率半径，z是矢高，x，y为曲面上点的空间坐标，c为曲率，k为曲面二次系数，U为对应多项式的系数；[0027]Zernike多项式表达式为：[0029]其中，z是矢高，X，y为曲面上点的空间坐标，k为曲面二次系数，Ci为对应多项式的系数，Zi是第i个Zernike项；[0030]Q-type多项式表达式为：[0032]其中，z是矢高，Cbfs是最佳拟合面的曲率，R是径向距离，rn是归一化半径，参数u=Rrn，K是最佳拟合面的圆锥常数，ai是第1阶Qbfs多项式的系数，Qlbfs是第1阶Qbfs多项式。[0033]本发明实施例中，主镜、凸面反射光栅与三镜均不存在偏心和倾斜，且主镜和三镜采用完全相同的面形结构，主镜和三镜构成一整块大的自由曲面反射镜，且该自由曲面反射镜和凸面反射光栅是同心配置。这样系统的结构十分简单，避免了由于反射镜倾斜和偏心给系统装调和对准带来的困难。[0034]本发明实施例提供的上述系统，采用自由曲面面形，这样系统的结构十分简单，避免了由于反射镜倾斜和偏心给系统装调和对准带来的困难;还能有效的矫正球面Offner凸面光栅光谱系统很难矫正的残余像差。[0035]本发明实施例提供一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统，为覆盖深紫外、可见光到近红外的成像光谱系统，将常见的Offner光谱成像技术球面反射镜和光栅采用自由曲面替代，实现两块反射镜和凸面光栅的同心设计，避免了反射镜存在偏心倾斜给系统装调带来的困难，另外更好的矫正了传统球面系统矫正不了的残余像差。本发明提供的系统实现光谱范围达到200-1500nm，覆盖深紫外、可见光到近红外波段，狭缝长度30mm，F数为3.8。下面提供一个仿真的实例：[0036]设计实例的系统一阶参数为:光谱范围达到200-1500nm，覆盖深紫外、可见光到近红外波段，狭缝长度30mm，F数为3.8,像元大小为16μηι，凸面反射光栅线对数的为1501inesmm。系统在20011111，80011111，100011111和150011111的调制传递函数1«^的结果分别对应图2〜图5。在截止频率321ineSmm时，所有视场的传递函数均接近衍射极限。且全系统所有波长的最大谱线弯曲和色畸变均小于1微米。[0037]光学系统的参数表1〜表3所不：[0040]表1系统参数[0042]表2主镜三镜Zernike多项式系数[0044]表3凸面光栅Zernike多项式系数[0045]以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

权利要求：1.一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统，其特征在于，包括:狭缝、主镜、凸面反射光栅、三镜和探测器，其中，凸面反射光栅作为整个系统的孔径光阑；系统为像方远心结构，经过狭缝的入射到主镜后发生反射，经过反射后入射到凸面光，光线在凸面光栅处发生衍射，不同波长的一级衍射光入射到三镜上，并被三镜反射后到达探测器。2.根据权利要求1所述的一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统，其特征在于，所述主镜、凸面反射光栅与三镜均采用自由曲面面型表达；自由曲面方程表达为XY多项式、Zernike多项式或者Q-type多项式;其中：XY多项式表达式如下：其中，r为曲率半径，z是矢高，X，y为曲面上点的空间坐标，c为曲率，k为曲面二次系数，Cj为对应多项式的系数；Zernike多项式表达式为：其中，Ci为对应多项式的系数，Zi是第i个Zernike项；Q-type多项式表达式为：其中，z是矢高，Cbfs是最佳拟合面的曲率，R是径向距离，rn是归一化半径，参数u=Rrn，κ是最佳拟合面的圆锥常数，ai是第1阶Qbfs多项式的系数，Qibfs是第1阶Qbfs多项式。3.根据权利要求1或2所述的一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统，其特征在于，主镜、凸面反射光栅与三镜均不存在偏心和倾斜，且主镜和三镜采用完全相同的面形结构，主镜和三镜构成一整块大的自由曲面反射镜，且该自由曲面反射镜和凸面反射光栅是同心配置。

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