Offner结构成像光谱仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种Offner结构成像光谱仪，其特征在于，包括：前置接收光学单元；分光单元；以及探测单元，其中，分光单元包括：入射狭缝；第一椭球凹面反射镜；椭球凸面光栅；第二椭球凹面反射镜，第一椭球凹面反射镜、第二椭球凹面反射镜和椭球凸面光栅共焦，具有相同的焦点和光轴，第一椭球凹面反射镜和第二椭球凹面反射镜分别处在垂直长轴方向的主平面两侧，椭球凸面光栅分布在垂直长轴方向的主平面两侧，第二椭球面短半轴长为入射狭缝在光轴方向到第一椭球凹面反射镜投射距离的一半；入射狭缝和探测单元分别放置于两个焦点附近。本发明的Offner结构成像光谱仪能够消除各个方向的像差，从而提高成像质量。
【专利说明】Offner结构成像光谱仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种OfTner结构成像光谱仪，属于光谱仪器领域。
【背景技术】
[0002]成像光谱仪是一种能同时采集地物形貌特征和光谱特征的光学遥感仪器，具有图谱合一性。在各类型成像光谱仪中，Offner结构成像光谱仪，即凸面光栅成像光谱仪，具有结构紧凑、固有像差小、光能利用率高、成像质量好和分辨率高等优点，而受到广泛关注，并已成功用于国外多颗遥感器。
[0003]现有Offner结构成像光谱仪的分光结构普遍采用基于罗兰圆离轴三反射结构，即由两个凹球面反射镜和一个凸球面光栅组成，凸球面光栅位于两个凹面反射镜之间，所有反射球面的球心均位于同一点。
[0004]从物面发出的光经第一个凹球面反射镜反射后，被凸球面光栅分光得到单色衍射光，单色衍射光被第二个凹球面反射镜反射聚焦于像面。除了子午面上不同角度出射的光线与经过主轴的主光线具有相同的光程差；其他平面上不同角度入射的光线与主光线的光程差都不相同。因此，罗兰圆离轴三反射的分光结构只能保证在子午面出射的光线与经过主轴的主光线具有相同的光程差，只能消除子午像差，并不能同时兼顾其他像差的影响，成像质量还是比较差。
【发明内容】
[0005]本发明是为了解决上述课题而进行的，目的在于提供一种能够提高成像质量的Offner结构成像光谱仪。
[0006]本发明为了实现上述目的，采用了以下结构。
[0007]本发明提供一种OfTner结构成像光谱仪，其特征在于，包括:用于收集目标物信号光的前置接收光学单元；位于前置接收光学单元上方的分光单元；以及用于接收经分光单元处理的信号光，并对目标物进行光谱成像的探测单元，
[0008]其中，分光单元包括:用于让信号光进入分光单元的入射狭缝；用于改变信号光路径得到反射光的第一椭球凹面反射镜；用于接收反射光进行分光得到衍射光的椭球凸面光栅；用于对衍射光进行反射聚焦的第二椭球凹面反射镜，
[0009]第一椭球凹面反射镜、第二椭球凹面反射镜处在第一虚拟椭球面上，椭球凸面光栅处在第二虚拟椭球面上，第一虚拟椭球面和第二虚拟椭球面为共焦系统，具有相同的两个焦点、光轴和主平面，
[0010]第一椭球凹面反射镜和第二椭球凹面反射镜分别处在共焦系统垂直长轴方向的主平面两侧，椭球凸面光栅分布在共焦系统垂直长轴方向的主平面两侧，
[0011]第二椭球凹面反射镜的短半轴长为入射狭缝在光轴方向到第一椭球凹面反射镜投射距离的一半；
[0012]入射狭缝位于第一椭球凹面反射镜下方，并处在其中一个焦点附近，前置接收光学单元和第一椭球凹面反射镜分别位于入射狭缝两侧，探测单元位于第二椭球凹面反射镜下方，并处在另一个焦点附近。
[0013]另外，在本发明的Offner结构成像光谱仪中，还可以具有这样的特征:其中，入射狭缝位于第一椭球凹面反射镜下方，并处在其中一个焦点上；探测单元位于第二椭球凹面反射镜下方；利用光学设计软件对OfTner结构成像光谱仪进行光路仿真，得到最佳成像面，并将探测单元置于最佳成像面处。
[0014]另外，在本发明的Offner结构成像光谱仪中，还可以具有这样的特征:其中，利用光学设计软件对OfTner结构成像光谱仪进行光路仿真，并优化元件结构参数，得出最佳元件结构参数，按最佳元件结构参数装调Offner结构成像光谱仪。
[0015]另外,在本发明的Offner结构成像光谱仪中，还可以具有这样的特征:其中，椭球凸面光栅的刻划线数为100/mm。
[0016]另外，在本发明的Offner结构成像光谱仪中，还可以具有这样的特征:其中，探测单元为面阵探测器。
[0017]发明作用与效果
[0018]根据本发明的一种Offner结构成像光谱仪，因为采用第一椭球凹面反射镜和第二椭球凹面反射镜代替两个凹球面反射镜，椭球凸面光栅代替球形凸面光栅，且第二椭球面短半轴长为入射狭缝在光轴方向到第一椭球凹面反射镜投射距离的一半，所以从一个焦点进入的任何角度光线都能到达另外一个焦点，而且这些光线都与主光线具有相同的光程差；因此将入射狭缝放在一个焦点附近透进光线，面阵探测器放在另一个焦点附近，得到各个方向像差都被消除的光谱图像，从而提高成像质量。
【专利附图】
【附图说明】
[0019]图1是本发明涉及的Offner结构成像光谱仪在实施例1中的光路示意图；
[0020]图2是本发明涉及的Offner结构成像光谱仪在实施例2中的仿真光谱成像示意图；以及
[0021]图3是本发明涉及的Offner结构成像光谱仪在实施例3中的仿真光谱成像示意图。
【具体实施方式】
[0022]以下参照附图对本发明所涉及的Offner结构成像光谱仪做详细阐述。
[0023]<实施例1>
[0024]图1是本发明涉及的Offner结构成像光谱仪在实施例1中的光路示意图。
[0025]如图1所示，OfTner结构成像光谱仪10具有入射狭缝1、第一椭球凹面反射镜2、椭球凸面光栅3、第二椭球凹面反射镜4、面阵探测器5、以及前置接收光学单元6。
[0026]取相同焦点，且焦半距c都为40mm的第一虚拟椭球面和第二虚拟椭球面，并且使得第一虚拟椭球面的短半轴为120.84mm,第二虚拟椭球面的短半轴为50mm。将顶点曲率半径都为120.84mm的第一椭球凹面反射镜2和第二椭球凹面反射镜4放置在第一虚拟椭球面上，并对称分布在垂直长轴方向的主平面两侧。将刻划线数为100/mm的椭球凸面光栅3放置的第二虚拟椭球面上。并且使得椭球凸面光栅3左右两部分关于垂直长轴方向的主平面对称。
[0027]将入射狭缝I放置在其中一个焦点上，则入射狭缝I到第一虚拟椭球面上的投射距离为100mm，等于第二虚拟椭球面短半轴的两倍。将面阵探测器6置于另一个焦点处。将前置接收光学单元6放在入射狭缝I的正下方，并且使得前置接收光学单元6的出射光线通过入射狭缝I。
[0028]前置接收光学单元6收集目标物信号光。信号光通过入射狭缝I，被第一椭球凹面反射镜2反射。反射光达到椭球凸面光栅3后，被椭球凸面光栅3分光得到衍射光。衍射光被第二椭球凹面反射镜4反射聚焦。面阵探测器5接受反射聚焦的衍射光，并得到目标物的光谱图像。实施例作用与效果
[0029]根据本实施例的OfTner结构成像光谱仪，因为采用第一椭球凹面反射镜和第二椭球凹面反射镜代替两个凹球面反射镜，椭球凸面光栅代替球形凸面光栅，且第二椭球面短半轴长为入射狭缝在光轴方向到第一椭球凹面反射镜投射距离的一半，所以从一个焦点进入的任何角度光线都能到达另外一个焦点，而且这些光线都与主光线具有相同的光程差；因此将入射狭缝放在一个焦点附近透进光线，面阵探测器放在另一个焦点附近，得到各个方向像差都被消除的光谱图像，从而提高成像质量。
[0030]<实施例2>
[0031]图2是本发明涉及的Offner结构成像光谱仪在实施例2中的仿真光谱成像示意图。
[0032]如图2所示,Offner结构成像光谱仪20具有入射狭缝7、第一椭球凹面反射镜8、椭球凸面光栅9、第二椭球凹面反射镜11、面阵探测器12、以及前置接收光学单元(图中未显示)O
[0033]Offner结构成像光谱仪20的装调过程如下:取相同焦点，且焦半距c都为40mm的第一虚拟椭球面和第二虚拟椭球面，并且使得第一虚拟椭球面的短半轴为120.84mm,第二虚拟椭球面的短半轴为50mm。将顶点曲率半径都为120.84mm的第一椭球凹面反射镜8和第二椭球凹面反射镜11放置在第一虚拟椭球面上，并对称分布在垂直长轴方向的主平面两侧。将刻划线数为100/mm的椭球凸面光栅9放置的第二虚拟椭球面上。并且使得椭球凸面光栅9左右两部分关于垂直长轴方向的主平面对称。
[0034]将入射狭缝7放置在其中一个焦点上，则入射狭缝7到第一虚拟椭球面上的投射距离为100mm，等于第二虚拟椭球面短半轴的两倍。将前置接收光学单元放在入射狭缝7的正下方，并且使得前置接收光学单元的出射光线通过入射狭缝7。
[0035]利用光学设计软件codev对上述Offner结构成像光谱仪20进行光路仿真,确定最佳成像面。具体过程如下。
[0036]在codev软件中输入初始结构参数:第一椭球凹面反射镜2的近轴顶点曲率半径120.84_、第一椭球凹面反射镜8的近轴顶点曲率半径120.84_、椭球凸面光栅9顶点处的曲率半径50mm、入射狭缝7在光轴方向到第一椭球凹面反射镜8的距离100mm、第一椭球凹面反射镜8和第二椭球凹面反射镜11在光轴方向上到椭球凸面光栅9的距离50mm、第二椭球凹面反射镜11在光轴方向到面阵探测器12的距离100mm。可以得到仿真光谱图像以及对应波长的均方根RMS值。
[0037]如图2所示，信号光通过入射狭缝7，被第一椭球凹面反射镜8反射。反射光达到椭球凸面光栅9后，被椭球凸面光栅9分光得到衍射光。衍射光被第二椭球凹面反射镜11反射聚焦。
[0038]表1实施例2中光谱图像对应波长的RMS值
[0039]
【权利要求】
1.一种Offner结构成像光谱仪,其特征在于,包括: 用于收集目标物信号光的前置接收光学单元； 位于所述前置接收光学单元上方的分光单元；以及 用于接收经分光单元处理的所述信号光，并对所述目标物进行光谱成像的探测单元，其中，所述分光单元包括:用于让所述信号光进入所述分光单元的入射狭缝；用于改变所述信号光路径得到反射光的第一椭球凹面反射镜；用于接收所述反射光进行分光得到衍射光的椭球凸面光栅；用于对所述衍射光进行反射聚焦的第二椭球凹面反射镜， 所述第一椭球凹面反射镜、所述第二椭球凹面反射镜处在第一虚拟椭球面上，所述椭球凸面光栅处在第二虚拟椭球面上，所述第一虚拟椭球面和所述第二虚拟椭球面为共焦系统，具有相同的两个焦点、光轴和主平面， 所述第一椭球凹面反射镜和所述第二椭球凹面反射镜分别处在所述共焦系统垂直长轴方向的主平面两侧，所述椭球凸面光栅分布在所述共焦系统垂直长轴方向的主平面两侦U， 所述第二椭球凹面反射镜的短半轴长为所述入射狭缝在光轴方向到所述第一椭球凹面反射镜投射距离的一半； 所述入射狭缝位于 所述第一椭球凹面反射镜下方，并处在其中一个焦点附近，所述前置接收光学单元和所述第一椭球凹面反射镜分别位于所述入射狭缝两侧，所述探测单元位于所述第二椭球凹面反射镜下方，并处在另一个焦点附近。
2.根据权利要求1所述的Offner结构成像光谱仪,其特征在于: 其中，所述入射狭缝位于所述第一椭球凹面反射镜下方，并处在其中一个焦点上；所述探测单元位于所述第二椭球凹面反射镜下方；利用光学设计软件对所述OfTner结构成像光谱仪进行光路仿真，得到最佳成像面，并将所述探测单元置于所述最佳成像面处。
3.根据权利要求1所述的Offner结构成像光谱仪,其特征在于: 其中，利用所述光学设计软件对所述OfTner结构成像光谱仪进行光路仿真，并优化元件结构参数，得出最佳元件结构参数，按所述最佳元件结构参数装调所述Offner结构成像光谱仪。
4.根据权利要求1所述的Offner结构成像光谱仪,其特征在于: 其中，所述椭球凸面光栅的刻划线数为100/_。
5.根据权利要求1所述的Offner结构成像光谱仪,其特征在于: 其中，所述探测单元为面阵探测器。
【文档编号】G01J3/02GK104019893SQ201410211928
【公开日】2014年9月3日 申请日期:2014年5月20日 优先权日:2014年5月20日
【发明者】黄元申, 韩姗, 隋峰, 李柏承, 徐邦联 申请人:上海理工大学