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CN110375854A - 一种紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统 - Google Patents

一种紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统 Download PDF

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CN110375854A CN201910618699.0A CN201910618699A CN110375854A CN 110375854 A CN110375854 A CN 110375854A CN 201910618699 A CN201910618699 A CN 201910618699A CN 110375854 A CN110375854 A CN 110375854A
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王欣
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Shanghai Institute of Technical Physics of CAS
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Abstract

本发明公开了紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统，景物目标的一个条带经过物镜汇聚成像在狭缝上，再经非球面反射镜、平面光栅和透镜组汇聚后按波长不同成像在面阵探测器，随着平台推扫获得图谱合一图像。本发明解决了大视场和高光谱分辨率时光路庞大的问题；仅含有一个非球面反射镜和透镜组，结构简单、紧凑，具有像质优良、光谱弯曲和畸变小特点，非球面反射镜同轴设计，大相对孔径大大缩小了仪器轴向尺寸；平面光栅反射角度可调，易于实现反射镜和透镜组布局，减小了仪器宽度方向尺寸；后截距大便于探测器安装；选用不同材质透镜组，将扩展到全谱段范围。因此本发明适合航天航空、工业等领域要求小型化的场合，降低了仪器的研制难度。

Description

一种紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统
技术领域
本发明涉及小型化大视场高光谱分辨率和高空间分辨率成像仪，具体是指一种采用物镜和折反射式平面光栅光谱仪结合的高光谱成像仪形式。
背景技术
光谱能够反映物质分子结构信息，在生物、化学、医药材料、食品工业以及地质勘探、航天航空等领域起着重要的作用。随着科学技术日新月异的发展和众多前沿学科的互相交叉、渗透和融合，对光谱仪提出了宽光谱、高分辨率、小型化等一系列新要求，因而微型光谱仪受到了极大的关注。
采用光栅分光的光谱仪相对棱镜分光方式和傅里叶变换方式的光谱仪，同时在光谱分辨率和空间分辨率方面具有明显的优势，因此而被广泛地应用在成像光谱领域。按照光栅类型的不同，光谱仪可以分为平面光栅光谱仪、凹面光栅光谱仪和凸面光栅光谱仪。其中前两者产生最早，应用最广；近年来，凸面光栅光谱仪因其优越的成像质量和相对紧凑的体积在各类应用领域中得到青睐。
凸面光栅同心成像光谱仪以OFFNER形式居多，光路由两块球面或非球面反射镜和一块凸面光栅组成，其中凸面光栅制作成本相对较高，工程应用中实施难度相对较大。
凹面光栅成像光谱仪以Dyson形式居多，这种系统也可以实现极高的成像质量，传统Dyson成像系统的入射狭缝和探测器焦面均置于单透镜的平面上，造成入射狭缝和探测器的安装困难，这种结构形式较难布局。
平面光栅光谱仪较多采用Czerny-Turner形式，分为M型结构和交叉型结构，光路以两面曲率中心重合的球面反射镜分别作为准直镜和反射镜，用一块平面衍射光栅作为色散元件，交叉型结构相比M型结构其空间利用率更高、更为紧凑，但是这种结构在两个镜面布局方向尺寸较大，对于大相对孔径光学系统后截距短，探测器较难布局。
由国内外大视场高光谱成像仪发展趋势来看，常用的光谱仪形式多为Czerny-Turner或Dyson形式，这些光学系统存在很多难题，主要体现在：
1.Czerny-Turner平面光栅光谱仪，其光路为了分离两个反射镜沿径向方向的相对位置，轴向距离相应变大，因此外形体积较大。交叉型结构和M型结构均存在光线重叠交叉，造成焦面距离有效光线太近，尤其在在大视场和大相对孔径成像情况下，后截距短难以布局探测器。
2.Dyson凹面光栅光谱仪的入射狭缝和探测器焦面均置于单透镜的平面上，为了探测器和单透镜不发生相互干涉，则会导致狭缝位置距离色散系统的像面较近，为了拉开距离在近凹面光栅位置处加入非球面镜或弯月透镜来校正由于狭缝和像面移动所产生的像差，并且通过折转像面的位置使得狭缝和像面置于不同平面内，造成光路较为复杂，装调难度大。同时凹面光栅相对平面光栅而言，光栅制作难度和成本大大增加。
将折反射光学元件和平面光栅分光结合的光学方案应用在大视场高分辨率高光谱成像仪系统中，是基于光谱仪仅含有一个非球面反射镜和一个透镜组，结构简单、紧凑、加工难度低，具有像质优良、光谱弯曲和畸变小特点，此类光谱仪非球面反射镜同轴设计，不存在离轴像差，反射镜大相对孔径的设计大大缩小了仪器轴向外形尺寸；通过改变平面光栅反射角度，易于实现反射镜和透镜组的布局，减小仪器宽度方向外形；且后截距适合各类探测器距离，便于探测器安装；选择反射镜和透镜组不同焦比的组合，可以实现大变倍比的焦距变化，适合各类相对孔径光路环境；选择透镜组不同材质，可扩展适用于宽光谱成像范围。因此紧凑型折反射式平面光栅光谱仪解决了大视场、宽光谱和高光谱分辨率时的光路复杂且庞大的问题，适合航天航空、工业等领域。
发明内容
折反射光学元件和平面光栅分光的应用为研究小型化高分辨率高光谱成像仪提供一种新型的光学系统形式。本发明的技术构思是根据推扫式高光谱成像仪的原理进行设计，折反射式平面光栅光谱仪由狭缝1、非球面反射镜2、平面光栅3、透镜组4和面阵探测器5组成。景物目标的一个条带先经过物镜汇聚成像在焦面位置狭缝1上，折反射平面光栅光谱仪作用是对狭缝1进行色散成像，依次通过非球面反射镜2反射、平面光栅3反射色散分光、透镜组4透射汇聚后按波长不同成像在面阵探测器5的不同位置上，再随仪器平台运行方向推扫得到图谱合一的图像。因此本发明的技术解决方案如下：
根据发明所述的非球面反射镜2为金属或玻璃反射镜，面形为10阶高次非球面。所述的平面光栅3为反射衍射闪耀光栅，反射级次为-1级。所述的透镜组4为玻璃球面透镜，由三片透镜组成，材料根据谱段可以灵活选择。
本发明由于把折反射光学元件与平面光栅相结合，在大视场情况下明显地提升了波段探测的功能，系统的优点如下：
1.紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统结构简单、紧凑，仅含有一个非球面反射镜和一个透镜组，系统具有成像优良、光谱弯曲和光谱畸变小。在视场大于5°和波段范围1μm-2.5μm情况下，可以实现空间分辨率0.27mrad和光谱分辨率5nm，各个波长系统传函在奈奎斯特频率20lp/mm处优于0.6，轴外视场光谱弯曲小于一个像元，光谱畸变小于3％。
2.光谱仪非球面反射镜同轴设计，不存在离轴像差，反射镜大相对孔径的设计大大缩小了仪器轴向外形尺寸；通过改变平面光栅反射角度，易于实现反射镜和透镜组的布局，减小仪器宽度方向外形；且后截距适合各类探测器距离，便于探测器安装；选择反射镜和透镜组不同焦比的组合，可以实现大变倍比的焦距变化，适合各类相对孔径光路环境；选择透镜组不同材质，可扩展适用于宽光谱成像范围。
3.紧凑型折反射式平面光栅光谱仪形式应用广泛，能应用于航天航空、工业、生物、化学、医药材料以及地质勘探等各种高光谱成像领域。
附图说明
图1为紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统光路图，(1)狭缝、(2)非球面反射镜、(3)平面光栅、(4)透镜组、(5)面阵探测器。
具体实施方式
本发明设计了一种紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统，主要技术指标如下：
1.入瞳口径25mm，光学系统焦距90mm；
2.谱段范围：1000-2500nm，光谱分辨率5nm；
3.全视场：5°；
4.面阵探测器像元大小25μm、像元数640*512；
5.空间分辨率：优于0.27mrad；
6.全视场传函在奈奎斯特频率20lp/mm处优于0.6、光谱畸变小于3％、光谱弯曲小于一个像元。
光学系统具体设计参数如表1所示：
表1光学系统具体设计参数

Claims (4)

1.一种紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统，包括物镜和折反射式平面光栅光谱仪两个部分，其特征在于：
所述的折反射式平面光栅光谱仪包括狭缝(1)、非球面反射镜(2)、平面光栅(3)、透镜组(4)和面阵探测器(5)；
景物目标的一个条带先经过物镜汇聚成像在焦面位置狭缝(1)上，折反射平面光栅光谱仪作用是对狭缝(1)进行色散成像，依次通过非球面反射镜(2)反射、平面光栅(3)反射色散分光、透镜组(4)透射汇聚后按波长不同成像在面阵探测器(5)的不同位置上，再随仪器平台运行方向推扫得到图谱合一的图像。
2.根据权利要求1所述的紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统，其特征在于：所述的非球面反射镜(2)为金属或玻璃反射镜，面形为10阶高次非球面。
3.根据权利要求1所述的紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统，其特征在于：所述的平面光栅(3)为反射衍射闪耀光栅，反射级次为-1级。
4.根据权利要求1所述的紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统，其特征在于：所述的透镜组(4)为球面透镜，由三片透镜组成，材料根据光谱仪的工作谱段选择。
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Cited By (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110887565A (zh) * 2019-12-20 2020-03-17 苏州大学 一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统及其成像方法
CN111175424A (zh) * 2020-02-24 2020-05-19 大连依利特分析仪器有限公司 一种基于多级信号校准的二极管阵列检测器及校准方法
CN118209517A (zh) * 2024-03-26 2024-06-18 中国科学院合肥物质科学研究院 一种紧凑型可见近红外波段光谱探测装置

Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103048045A (zh) * 2012-12-12 2013-04-17 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统
CN107271038A (zh) * 2017-07-03 2017-10-20 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种高分辨率光谱仪系统
CN210268902U (zh) * 2019-07-10 2020-04-07 中国科学院上海技术物理研究所 紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103048045A (zh) * 2012-12-12 2013-04-17 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统
CN107271038A (zh) * 2017-07-03 2017-10-20 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 一种高分辨率光谱仪系统
CN210268902U (zh) * 2019-07-10 2020-04-07 中国科学院上海技术物理研究所 紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统

Cited By (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN110887565A (zh) * 2019-12-20 2020-03-17 苏州大学 一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统及其成像方法
CN110887565B (zh) * 2019-12-20 2023-06-06 苏州大学 一种超大视场推扫式机载高光谱成像系统及其成像方法
CN111175424A (zh) * 2020-02-24 2020-05-19 大连依利特分析仪器有限公司 一种基于多级信号校准的二极管阵列检测器及校准方法
CN111175424B (zh) * 2020-02-24 2022-04-08 大连依利特分析仪器有限公司 一种基于多级信号校准的二极管阵列检测器及校准方法
CN118209517A (zh) * 2024-03-26 2024-06-18 中国科学院合肥物质科学研究院 一种紧凑型可见近红外波段光谱探测装置

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