适用于微型成像光谱仪的微型分光系统的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种适用于微型成像光谱仪的分光系统。它由主反射镜，光栅，次反射镜三个共轴同心的光学元件组成；该光学系统采用全反射对称系统，几何像差小，适用波段范围宽；该光学系统采用同轴结构，结构简单,安装与调试容易，稳定性好。该光谱分光系统能在保持良好成像质量的同时明显减小体积和重量，为微型成像光谱仪提供了一种有效的光谱分光方法。与传统的光谱仪相比，该光谱分光系统具有成像质量好，数值孔径大，装调简单、成本较低、便于携带、易于加工，适用于航天遥感、机械视觉和生物医学等领域。
【专利说明】适用于微型成像光谱仪的微型分光系统
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种适用于微型成像光谱仪的微型分光系统，特别涉及一种采用共轴同心全反射结构的、工作于可见光至近红外或短波红外波段的小体积、轻质量、大视场的高光谱成像分光系统。
【背景技术】
[0002]随着光学技术、探测器技术、计算机技术、信息技术以及空间技术的不断发展，成像光谱仪的应用领域已扩展到地球科学的各个领域，成为森林植被检测、地质绘图、农业植被检测、大气探测、环境检测、资源探测等领域的有效技术手段，因此对成像光谱仪的光学性能提出了更高的要求，在准确获取高光谱信息的同时实现小体积、轻质量是目前成像光谱仪应用的必要发展趋势。
[0003]分光系统是成像光谱仪的重要光学组成部分，光谱仪系统采用的分光技术直接影响着整个成像光谱仪的性能、结构的复杂程度、重量和体积等。从Goetz提出超光谱成像的概念至今，经过30多年的发展，世界各国已相继开发研究了十几台超光谱成像仪，较著名的有AVRIS、CAS1、HYDICE、Ocean PHILLS等，1997年美国NASN成功发射了世界第一台超光谱小卫星LEWIS，其上搭载了世界上首台航天超光谱成像仪HIS。随着民用领域对超光谱图像需求的不断扩大，研制小体积、轻质量的微型光谱仪具有广阔的应用前景。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于满足高光谱成像仪成像质量要求，提供一种体积小、质量轻、结构简单、适用波段宽、成像性能优、稳定性好的适用于微型成像光谱仪的微型分光系统。
[0005]本发明所采用的技术`方案是提供一种适用于微型成像光谱仪的微型分光系统，它工作于可见近红外波段和短波红外波段；微型分光系统为全反射光学系统，满足物、像方远心；沿光线入射方向，光学元件依次为主反射镜、光栅和次反射镜，它们的曲率半径分别为Rl、R2和R3，曲率半径的取值范围为-100mm〈Rl〈-85mm、-50mm<R2<-40mm和-100mm〈R3〈-75mm ;所述主反射镜、次反射镜和光栅共轴同心，主、次反射镜为球面反射镜，光栅为凸面直线槽全息光栅。
[0006]本发明所述光栅表面最高点在光轴上。所述光栅与主、次反射镜顶点间距为分别对应的反射镜的曲率半径的一半。
[0007]本发明提供的光学系统的工作波段范围为0.4 μ m~1.ΟμL? ;也可以为0.9μπ?~L 7 μ m0
[0008]所述光学系统工作环境温度范围为10°C~30°C。
[0009]与现有技术相比，本发明的有益效果是:
1、本发明提供的分光系统具有体积小、结构简单紧凑的特点。
[0010]2、采用共轴同心全反射结构，工作于可见近红外或短波红外波段，大视场、小体积的特点，适用波段宽、成像性能优、稳定性好。【专利附图】
【附图说明】
[0011]图1是本发明实施例一提供的光学系统的结构示意图；
图2是本发明实施例一提供的光学系统的光路示意图；
图3是本发明实施例一提供的光学系统的光线追迹点列图；
图4是本发明实施例一提供的光学系统畸变曲线图；
图5是本发明实施例一提供的光学系统谱线弯曲曲线图；
图6是本发明实施例一提供的光学系统场曲/像散曲线图；
图7是本发明实施例一提供的光学系统能量集中度曲线图；
图8是本发明实施例一提供的光学系统的调制传递函数曲线；
图9是本发明实施例二提供的光学系统的结构示意图；
图10是本发明实施例二提供的光学系统光路示意图；
图11是本发明实施例二提供的光学系统的光线追迹点列图；
图12是本发明实施例二提供的光学系统畸变曲线图；
图13是本发明实施例二提供的光学系统谱线弯曲曲线图；
图14是本发明实施例二提供的光学系统场曲/像散曲线图；
图15是本发明实施例二提供的光学系统能量集中度曲线图；
图16是本发明实施例二提供的光学系统的调制传递函数曲线；
图中:1、入射狭缝；2、主反射镜；3、光栅；4、次反射镜；5、探测器焦平面(像平面)；6、光轴(即对称轴);7、入射光线方向主光线；8(9和10)、不同波长的成像光束像方主光线；
点为主反射镜、光栅和次反射镜的曲率中心。
【具体实施方式】
[0012]下面结合附图和实施例对发明的实施方案作进一步的具体阐述。
[0013]实施例1:
本实施例的技术方案是适用于微型成像光谱仪的微型分光系统，它的工作波段在短波红外范围内，为0.9 μ m?1.7 μ m,系统F数为F/#=2.5。
[0014]参见附图1，它是本实施例提供的适用于微型成像光谱仪的微型分光系统的成像光路图；该微型分光系统由两块反射镜和一块光栅组成，沿光线入射方向，依次为入射狭缝1，主反射镜2，光栅3，次反射镜4 ;微型分光系统的像平面5位于焦平面探测器的光敏面上，6为光轴(即对称轴)。入射狭缝I为一个高为7.5mm的狭缝光阑，光栅与主反射镜、次反射镜共轴同心，曲率中心为O点，系统光阑位于光栅上,整个装置为一个尺寸小于15 Omm* IO 5mm* 5 5mm 的立方体。
[0015]微型分光系统中，主反射镜和次反射镜为球面反射镜，光栅为凸球面直线槽全息光栅，该光学系统的有关参数如下:主反射镜与次反射镜曲率半径相同，光栅的曲率半径约为它们的二分之一，即主反射镜曲率半径为-99mm，光栅曲率半径为-50mm，次反射镜曲率半径为-99mm;狭缝、光栅和主次反射镜间隔按顺序分别为:狭缝与主反射镜的间距88mm，主反射镜与光栅的间距-43mm，光栅与次反射镜的间距为43mm，次反射镜与像面的间隔为-88mm。光栅常数为54.71p/mm。[0016]图2为本实施例光学系统的光路示意图，它的光路设计基于Offner中继系统，入射光线方向主光线7平行于光轴6,形成物方远心；不同波长的成像光束像方主光线8、9和10均平行于光轴6，形成像方远心，探测器平面(像平面)5上照度分布均匀。图中，入射狭缝I是成像光谱仪的前置系统对物体成的像(未给出前置系统)，物体在狭缝处的像经过分光系统，以1:1成像到探测器像平面上，不同波长的像均匀顺序排列在焦平面上。
[0017]参见附图3，它是本实施例所述的光学系统的光线追迹点列图，即入射狭缝经过分光系统成像后在探测器焦平面上的情况。图3中几个不同波长在不同视场处的圆表示Airy斑，由图可见，像面上不同波长的各视场处的点列图几乎都落在Airy斑以内，表明该光学系统具有衍射理论极限的聚焦特性。
[0018]参见附图4,它是本实施例所述的光学系统的畸变曲线图，横坐标表归一化视场，纵坐标表示畸变大小，由图可以看出，分光系统畸变量〈0.5 μ m,小于0.02象元尺寸。
[0019]参见附图5，它是本实施例所述的光学系统的谱线弯曲曲线图，横坐标表示归一化视场，纵坐标表示谱线弯曲的大小，由图可以看出，分光系统谱线弯曲量〈0.5 μ m,小于
0.02象元尺寸。
[0020]参见附图6，它是本实施例所述的光学系统的场曲/像散曲线，横坐标上对应的三组曲线分别代表三个波长的子午和弧矢场曲曲线，纵坐标是归一化视场。每组曲线之间的距离表示对应纵坐标是某个视场处的像散值，可见最大像散值小于70 μ m，远小于焦深，在像差容限范围内。横坐标上，每组曲线之间的间距即为位置色差，最大值小于35 μ m,同样在像差允许范围内。
[0021]参见附图7，它是本实施例所述的光学系统的中心波长的能量集中度曲线，横坐标表示包围圆半径大小，纵坐标表示能量集中数值，探测器像元大小为30 μ mX 30 μ m,可见，系统在各视场处、单个探测器像元内的成像光束能量集中度都在80%以上。
[0022]参见附图8，它是本实施例所述的光学系统的中心波长的光学传递函数曲线，横坐标是空间频率，纵坐标是光学函数值。可见，在探测器乃奎斯特频率171p/mm处，光学系统的传递函数值高于0.7。
[0023]本实施例所提供的光学系统中，主反射镜和次反射镜对光线起会聚作用，光栅对光束起发散和分光作用，系统满足物象方远心，适用于微型光学成像或光谱分析的光学系统。
[0024]实施例2
本实施例中，F数F/#=2.5，工作波段为可见近红外(0.4 μ m?1.0 μ m)，光学系统结构和光学成像结构参见附图9和附图10。
[0025]参见附图9，沿光线入射方向，依次为入射狭缝1，主反射镜2，光栅3，次反射镜4 ；微型分光系统的像平面5位于焦平面探测器的光敏面上，6为光轴(即对称轴)。光栅与主反射镜、次反射镜共轴同心，曲率中心为O点,系统光阑位于光栅上，
光学系统的其余参数如下:入射狭缝为一个高为6.8mm的狭缝光阑，光栅常数为97.31p/mm。主镜的曲率半径为-86.8mm，光栅的曲率半径为-40.9mm,次镜的曲率半径为-77.4mm，狭缝与主镜的间距为88mm，主镜与光栅的间距为_44mm，光栅与次镜的间距为35mm,次镜与像面的间隔为-78mm。
[0026]图10为本实施例光学系统的光路示意图，它的光路设计基于Offner中继系统，入射光线方向主光线7平行于光轴6,形成物方远心；不同波长的成像光束像方主光线8、9和10均平行于光轴6，形成像方远心，探测器平面(像平面)5上照度分布均匀。
[0027]参见附图11，它是本实施例所述的光学系统的光线追迹点列图，由图可见，像面上不同波长的各视场处的点列图几乎都落在一个像元以内，表明该光学系统具有较好的成像特性。
[0028]参见附图12，它是本实施例所述的光学系统的畸变曲线图，由图可以看出，分光系统畸变量〈I μ m。
[0029]参见附图13，它是本实施例所述的光学系统的谱线弯曲曲线图，由图可以看出，分光系统谱线弯曲量〈0.35 μ m。
[0030]参见附图14，它是本实施例所述的光学系统的场曲/像散曲线，横坐标上对应的三组曲线分别代表三个波长的子午和弧矢场曲曲线，纵坐标是归一化视场。每组曲线之间的距离表示对应纵坐标是某个视场处的像散值，可见最大像散值小于30 μ m,远小于焦深，在像差容限范围内。横坐标上，每组曲线之间的间距即为位置色差，最大值小于10 μ m，同样在像差允许范围内。
[0031]参见附图15，它是本实施例所述的光学系统的中心波长的能量集中度曲线，横坐标表示包围圆半径大小，纵坐标表示能量集中数值，探测器像元大小为7.4μ mX7.4μ m,可见，系统在各视场处、单个探测器像元内的成像光束能量集中度都在70%以上。
[0032]参见附图16，它是本实施例所述的光学系统的中心波长的光学传递函数曲线，横坐标是空间频率，纵坐标是光学函数值。可见，在探测器乃奎斯特频率641p/mm处，光学系统的传递函数值高于0.6。
【权利要求】
1.适用于微型成像光谱仪的微型分光系统，其特征在于:它工作于可见近红外波段和短波红外波段；微型分光系统为全反射光学系统，满足物、像方远心；沿光线入射方向，光学元件依次为主反射镜、光栅和次反射镜，它们的曲率半径分别为R1、R2和R3，曲率半径的取值范围为-100mm〈Rl〈-85mm、-50mm<R2<-40mm 和-100mm〈R3〈-75mm ;所述主反射镜、次反射镜和光栅共轴同心，主、次反射镜为球面反射镜，光栅为凸面直线槽全息光栅。
2.根据权利要求1所述的一种适用于微型成像光谱仪的微型分光系统，其特征在于:所述光栅表面最高点在光轴上。
3.根据权利要求1所述的一种适用于微型成像光谱仪的微型分光系统，其特征在于:所述光栅与主、次反射镜顶点间距为分别对应的反射镜的曲率半径的一半。
4.根据权利要求1所述的一种适用于微型成像光谱仪的微型分光系统，其特征在于:所述光学系统的工作波段范围为0.4μ m?1.0 μ m。
5.根据权利要求1所述的一种适用于微型成像光谱仪的微型分光系统，其特征在于:所述光学系统的工作波段范围为0.9 μ m?1.7 μ m。
6.根据权利要求1所述的一种适用于微型成像光谱仪的微型分光系统，其特征在于:所述光学系统工作环境温度范围为10°C?30°C。
【文档编号】G01J3/28GK103852163SQ201410094554
【公开日】2014年6月11日 申请日期:2014年3月14日 优先权日:2014年3月14日
【发明者】沈为民, 王岩 申请人:苏州大学