一种分辨率可调的离轴四反旋转变焦成像光谱仪

1.本发明属于光谱成像仪的技术领域，具体涉及一种分辨率可调的离轴四反旋转变焦成像光谱仪。


背景技术：

2.在空间遥感探测等领域，成像光谱仪由于其对物成像和光谱测量的功能具有十分广泛的应用前景。现有的推扫式成像光谱仪大多采用透射式结构，系统体积较大且元件数量较多，由于材料限制，实际光谱测量范围较窄，而且各个波段的分辨率为固定值，不能根据探测需求调节光谱分辨率和空间分辨率。反射式系统由于其本身不引入色差的特点，有助于实现更为紧凑的结构。将离轴反射结构引入到成像光谱仪设计中，可以有效扩大光谱测量范围，避免同轴反射系统中的光线遮拦问题，同时提高系统结构的紧凑性。
3.现有的反射式机械变焦光学系统需要机械移动多个反射镜来实现系统焦距的调制，空间体积控制难度较大，不利于提高系统结构的紧凑性；现有的反射式主动变焦光学系统利用变形镜等主动光学器件实现系统焦距的调制，由于主动光学元件的孔径与变形量的限制，难以实现较大变倍比，且系统成本较高。
4.柱面、x超环面、y超环面等面型具有非旋转对称性，常用于校正非旋转对称像差，通过旋转该类面型的组合式镜片，可以实现特定方向上焦距的调制变化。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供了一种分辨率可调的离轴四反旋转变焦成像光谱仪，能够实现空间分辨率和光谱分辨率可调的物体成像和光谱分析。
6.实现本发明的技术方案如下：
7.一种分辨率可调的离轴四反旋转变焦成像光谱仪，包括入射狭缝、主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜和探测器；
8.所述入射狭缝发出光线，入射狭缝位于主反射镜的焦点位置；
9.所述主反射镜用于将来自入射狭缝的光线反射为平行光，形成第一反射光；
10.所述次反射镜为一柱面或超环面镜，设置在主反射镜的反射光路上，用于将来自主反射镜的光线二次反射，形成第二反射光；
11.所述第三反射镜为一柱面或超环面镜，设置在次反射镜的反射光路上，用于将来自次反射镜的反射光再次反射，形成第三反射光；
12.所述第四反射镜设置在第三反射镜的反射光路上，用于将来自第三反射镜的反射光再次反射并聚焦，形成第四反射光；
13.所述探测器设置在第四反射镜的反射光路上，用于接收所述第四反射光并成像；
14.所述次反射镜与第三反射镜组成变焦子系统，所述次反射镜与所述第三反射镜同步旋转设定角度a，该变焦子系统焦距的变倍比为b倍，该变倍比的数值与次反射镜和第三反射镜的参数设置有关。
15.进一步地，所述主反射镜为一衍射光栅，其刻线方向与狭缝方向平行，用于将反射光色散。
16.进一步地，所述主反射镜的面型为8阶非球面面型。
17.进一步地，所述第四反射镜的面型为自由曲面。
18.进一步地，所述主反射镜、次反射镜、第三反射镜、第四反射镜的反射面均镀有金膜增反膜。
19.有益效果：
20.1)与现有技术相比，本发明提供的离轴四反旋转变焦成像光谱仪的次反射镜与第三反射镜面型设置为柱面/超环面，通过柱面/超环面镜的组合旋转进行焦距的调制，无需移动即可实现空间分辨率和光谱分辨率可调的物体成像和光谱分析功能，有助于减小系统体积，降低成本。
21.2)与现有光谱仪相比，本发明将离轴反射旋转变焦结构融入到光谱仪结构中，并设置了自由曲面，增加了系统自由度，可实现大视场、高成像质量，并且元件数量少，内部结构紧凑，有利于减小系统的体积与质量。
22.3)与现有技术相比，本发明系统内部没有大型位移装置，只需旋转次反射镜与第三反射镜，结构紧凑，元件数量少，体积小，质量轻，成本低，适合在空间遥感探测设备中应用。
附图说明
23.图1为本发明实例提供的一种分辨率可调的离轴四反旋转变焦成像光谱仪的初始状态(低光谱分辨率)光路结构示意图。
24.图2为本发明实例提供的一种分辨率可调的离轴四反旋转变焦成像光谱仪的旋转90
°
状态(高光谱分辨率)光路结构示意图。
25.其中，入射狭缝00，主反射镜01，次反射镜02，第三反射镜03，第四反射镜04，探测器05。
具体实施方式
26.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
27.本发明提供了一种分辨率可调的离轴四反旋转变焦成像光谱仪，如图1所示，包括入射狭缝00，主反射镜01，次反射镜02，第三反射镜03，第四反射镜04，探测器05；
28.所述系统位于全局空间坐标系(x,y,z)中；
29.所述入射狭缝00为整个系统的物，可对空间的物体采样，发出光线，狭缝方向平行于x轴，垂直于y轴；
30.所述主反射镜01，曲率半径为200mm，用于将来自入射狭缝00的光线反射，形成第一反射光，同时所述主反射镜01为一衍射光栅，其刻线方向与狭缝方向平行，使光发生色散；
31.所述次反射镜02，曲率半径为200mm，旋转半径为400mm，设置在主反射镜01的反射光路上，用于将来自主反射镜01的光线二次反射，形成第二反射光；
32.所述第三反射镜03，曲率半径为100mm，旋转半径为200mm，设置在次反射镜02的反
射光路上，用于将来自次反射镜02的反射光再次反射，形成第三反射光；
33.所述第四反射镜04，曲率半径为100mm，设置在第三反射镜03的反射光路上，用于将来自第三反射镜03的反射光再次反射并聚焦，形成第四反射光；
34.所述探测器05设置在第四反射镜04的反射光路上，用于接收所述第四反射光并成像。
35.所述光谱仪空间维方向为x轴向，光谱维方向为y轴向；
36.所述主反射镜01的面型为8阶非球面面型；
37.所述次反射镜02、第三反射镜03的面型为柱面/超环面；
38.所述第四反射镜04的面型为自由曲面；
39.所述主反射镜01、次反射镜02、第三反射镜03、第四反射镜04的材料不限。可选用铝、铜等金属材料和二氧化硅等无机非金属材料。为了提高所述主反射镜01、次反射镜02、第三反射镜03、第四反射镜04的反射率，可在其各自的反射面镀一金膜增反膜。
40.所述主反射镜01为一衍射光栅。刻线密度为200lines/mm，刻线方向平行与入射狭缝方向，使用的衍射级次为
‑
1级。
41.所述分辨率可调的离轴三反变焦成像光谱仪的孔径光阑为主反射镜01。
42.所述分辨率可调的离轴三反变焦成像光谱仪的空间分辨率变倍比为2倍。
43.所述分辨率可调的离轴三反变焦成像光谱仪的光谱分辨率变倍比为2倍。
44.所述分辨率可调的离轴四反旋转变焦成像光谱仪的工作光路如下：
45.来自物体的光经所述入射狭缝00采样后，入射到所述主反射镜01的反射面上，经过主反射镜01的反射面反射以及刻蚀在该反射面上的衍射光栅色散后形成第一色散反射光，第一色散反射光为平行光，第一色散反射光入射到所述次反射镜02的反射面上，经过次反射镜02反射后，形成第二反射光，第二反射光入射到所述第三反射镜03的反射面上，经第三反射镜03反射后形成第三反射光，此时第三反射光为平行光，第三反射光入射到所述第四反射镜04的反射面上，经第四反射镜04反射后形成第四反射光，并被所述探测器05接收形成光谱图像。所述主反射镜01、次反射镜02、第三反射镜03与第四反射镜04均设置一定偏心量和倾斜量，用于实现无遮拦的离轴光路。
46.所述分辨率可调的离轴四反旋转变焦成像光谱仪的变焦过程如下：
47.所述次反射镜02、第三反射镜03与第四反射镜04组成聚焦子系统，在图1所示初始状态下，聚焦子系统y轴向焦距为100mm，x轴向焦距为200mm。为增大系统分辨率，所述入射狭缝00、主反射镜01、第四反射镜04、探测器05空间位置不变，所述次反射镜02、第三反射镜03同时绕光轴旋转90
°
，二者之间不发生相对旋转与空间位移，如图2所示，此时聚焦子系统y轴向焦距切换为200mm，x轴向焦距切换为100mm，故光谱分辨率变倍比为2倍。变焦后离轴四反旋转变焦成像光谱仪的放大率由1:2切换为1:1，故空间分辨率变倍比为0.5倍。
48.由于所述次反射镜02与所述第三反射镜03为非旋转对称面，引入一定量的非旋转对称像差，且反射镜的离轴偏心与倾斜也产生旋转不对称像差，故第四反射镜面型设置为自由曲面，进行非旋转对称像差的辅助校正。
49.本发明实例提供的分辨率可调的离轴四反旋转变焦成像光谱仪具有以下优点：
50.1)与传统的成像光谱仪相比，所述分辨率可调的离轴四反旋转变焦成像光谱仪通过次反射镜和第三反射镜的共同旋转，无需移动次反射镜和第三反射镜的空间位置或者使
用主动光学元件，即可实现空间分辨率和光谱分辨率可调的功能，且像面位置不变，降低了系统的成本与装调难度。
51.2)所述分辨率可调的离轴四反旋转变焦成像光谱仪系统的四个反射镜均设置孔径偏心与倾斜，属于离轴反射式成像光学系统，与同轴反射式光学系统相比，具有更大的视场且无遮拦；因为反射镜不会产生色差，所以相比于透射式光谱仪，分辨率可调的离轴四反旋转变焦成像光谱仪除了光栅衍射产生的色差外，不会引入额外色差，元件数量少，且设置第四反射镜面型为自由曲面，增加了系统的自由度，有利于像差的校正。
52.3)所述分辨率可调的离轴三反变焦成像光谱仪将衍射光栅设置在主反射镜上，无需移动次反射镜和第三反射镜，只需通过旋转装置旋转一定角度，并且减少了系统元件数量，实现了更为紧凑的结构，极大地降低了系统的体积和质量。
53.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。