一种基于离轴四反结构的成像光谱仪

1.本实用新型属于光谱成像技术领域，特别涉及一种长狭缝、小体积的自由曲面离轴四反成像光谱仪的光学成像系统。


背景技术：

2.高光谱成像技术能够获取目标场景的图像信息和高分辨率的光谱信息，通过获取的光谱数据可以进行物质识别和成分分析，在林业资源调查、火灾预警、水资源污染、矿物勘探等领域有着广阔的应用需求。随着无人机载遥感技术的发展，利用无人机在高空对地进行高光谱成像的技术日益成熟，这使得对成像光谱仪的体积与视场有了更高的要求。
3.近年来，随着先进制造技术的不断进步，自由曲面越来越被广泛应用到各种成像系统中。自由曲面具有非旋转对称性，在光学设计中可以带来更高的设计自由度，有利于同时提升像质和减小系统体积。离轴式的结构通过使用反射面将光路折叠，进一步缩小体积。将离轴式结构与自由曲面相结合应用到成像光谱仪中，可以大幅缩小体积，获得结构更紧凑且系统参数更高的成像光谱仪，具有非常重要的意义。
4.现有技术中，文献《freeform imaging spectrometer design using a point-by-point design method》（applied optics， volume 57, issue 16）提出了一种基于离轴三反结构的成像光谱系统，其工作波段为400nm到1000nm，f数为3.57，狭缝长度为4mm，视场较小，导致其获取目标的空间信息量和光谱信息量较少。


技术实现要素：

5.本实用新型针对现有技术存在的不足，提供了一种基于离轴四反结构的轻小型、结构紧凑，长入射狭缝的成像光谱仪。
6.实现本实用新型发明目的的技术方案是提供一种基于离轴四反结构的成像光谱仪，它的光学系统包括狭缝、主反射镜，反射式光栅、次反射镜、三反射镜和可见近红外探测器；物方光线通过狭缝入射，经主反射镜反射至反射式光栅，经反射式光栅分光后再依次经次反射镜及三反射镜反射，至可见近红外探测器成像；
7.以所述狭缝的中心为原点，光线入射方向为z1轴正方向，y1轴正方向向上，x1轴正方向为垂直纸面向里，构建第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)；
8.以所述主反射镜所在的空间为第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)的原点设在所述第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)原点向z1正方向平移49～50mm处，z2轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转15
°
～16
°
；
9.以所述反射式光栅所在的空间为第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)的原点设在所述第二三维直角坐标系(x2，y2，z2) 原点向y2正方向平移12～13mm，向z2负方向平移46～47mm处，z3轴正方向相对于第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)的z2轴正方向顺时针旋转35
°
～36
°
；
10.以所述次反射镜所在的空间为第四三维直角坐标系 (x4，y4，z4)，第四三维直角坐标系 (x4，y4，z4)的原点设在所述第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)原点向y3负方向平移9～10mm，向z3正方向平移37～38mm处，z4轴正方向相对于第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)的z3轴正方向顺时针旋转26
°
～27
°
；
11.以所述三反射镜所在的空间为第五三维直角坐标系 (x5，y5，z5)，第五三维直角坐标系 (x5，y5，z5)的原点设在所述第四三维直角坐标系 (x4，y4，z4) 原点向y4正方向平移13～14mm，向z4负方向平移36～37mm处，z5轴正方向相对于第四三维直角坐标系 (x4，y4，z4)的z4轴正方向逆时针旋转25
°
～26
°
；
12.以所述可见近红外探测器所在的空间为第六三维直角坐标系(x6，y6，z6)，第六三维直角坐标系(x6，y6，z6)的原点设在所述第五三维直角坐标系 (x5，y5，z5) 原点向y5负方向平移18～19mm，向z5正方向平移42～43mm处，z6轴正方向相对于第五三维直角坐标系 (x5，y5，z5)的z5轴正方向顺时针旋转59
°
～60
°
；
13.所述成像光谱仪的主反射镜、次反射镜和三反射镜的面型为6次xy多项式自由曲面，自由曲面的面型表达式z为：
[0014] ；
[0015]
其中，c为曲率；k为二次曲面系数；a1～a
27
为多项式系数；
[0016]
主反射镜、次反射镜和三反射镜的面型数学描述分别对应为在第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)、第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)和第五三维直角坐标系 (x5，y5，z5)中的6次xy多项式自由曲面；
[0017]
所述成像光谱仪的反射式光栅的面型为圆锥曲面，面型表达式z为：
[0018] ；
[0019]
其中，c为曲率，c=-0.00494；k为二次曲面系数，k=1
×
102；反射式光栅的面型数学描述对应在第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)中。
[0020]
本实用新型所述的一种基于离轴四反结构的成像光谱仪，所述主反射镜、次反射镜和三反射镜的6次xy多项式自由曲面，其曲率c、二次曲面系数k、多项式系数a1～a
27
的取值分别为： 主反射镜次反射镜三反射镜c-0.014610.006550.01220k-0.96997-27.94154-2.99679a1000a2-0.011131.280944.59073a30.14271-1.49661-1.93378a4000a50.08832-0.139790.16915a6000a
7-0.014240.652140.54851a8000a90.066050.252810.22774a
10-0.104490.125980.36132a
11
000a
12-0.231280.248040.80822a
13
000a
14-0.125930.121490.58969a
15
000a
16-7.12052e-030.036010.09474a
17
000a
18-1.70289e-030.057700.14943a
19
000a
20-2.92509e-04-0.03671-0.04661a
21-9.10609e-03-0.01191-0.01814a
22
000a
23-0.02811-0.02086-0.01424a
24
000a
25-0.02865-0.030630.10196a
26
000a
27
0.034360.051260.08482
[0021]
本实用新型所述的一种基于离轴四反结构的成像光谱仪，其光学系统的孔径光阑设在反射式光栅上。
[0022]
本实用新型所述的一种基于离轴四反结构的成像光谱仪，其狭缝长度为沿x1方向20mm；所述反射式光栅的刻线密度为150条/mm，刻线方向为平行于x3方向，衍射级次为1级。
[0023]
本实用新型所述的一种基于离轴四反结构的成像光谱仪，其特征在于：光学系统的数值孔径为0.14，f数为3.57。
[0024]
本实用新型提供的基于离轴四反结构的成像光谱仪，其工作波段为400nm到1000nm。
[0025]
本实用新型提供的离轴四反结构成像光谱仪，由狭缝发出的光线经主反射镜将光线反射，形成第一反射光；反射式光栅为系统的孔径光阑，其刻线方向平行于狭缝平，设置在主反射镜的反射光路上，用于将第一反射光二次反射，形成第二反射光，同时使光发生色散；次反射镜设置在反射式光栅的反射光路上，用于将第二反射光再次反射，形成第三反射光；三反射镜设置在次反射镜的反射光路上，用于将第三反射光再次反射，形成第四反射
光；第四反射光到达可见近红外探测器并成像。
[0026]
本实用新型将离轴四反的结构应用到成像光谱仪中，光学系统第一反射光的光路、第二反射光的光路、第三反射光与第四反射光的光路之间相互交叠；利用自由曲面校正离轴和增加视场产生的像差，进一步减小系统体积并增长了狭缝长度，同时实现成像光谱系统的轻小型化、长狭缝与高像质成像。
[0027]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
[0028]
1. 本实用新型使用离轴四反的结构，增加了一面反射镜用于折叠光路并平衡像差，在提升性能的同时保持了小体积。
[0029]
2. 本实用新型使用普通的凸面光栅，没有使用自由曲面光栅，减小了加工的难度，缩小了制造成本。
[0030]
3. 本实用新型的狭缝长度增加，增大了视场，使得成像光谱仪系统可以获取更多的空间信息和光谱信息，提升了系统的性能。
附图说明
[0031]
图1是本实用新型实施例提供的一种成像光谱仪的光路示意图;
[0032]
图2是本实用新型一个实施例提供的成像光谱仪各光学元件所在坐标系的示意图；
[0033]
图3是本实用新型一个实施例提供的成像光谱仪的全视场全波段传递函数曲线mtf曲线图；
[0034]
图4是本实用新型一个实施例提供的全视场全工作波段的rms光斑半径曲线图；
[0035]
图中，1.狭缝；2.主反射镜；3.反射式光栅；4.次反射镜；5. 三反射镜；6.可见近红外探测器。
具体实施方式
[0036]
下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案作进一步的阐述。
[0037]
实施例1
[0038]
参见附图1，它是本实施例提供的一种基于离轴四反结构的超紧凑型成像光谱仪系统的构示意图，它的光学系统的元件主要包括主反射镜2，反射式光栅3、次反射镜4、三反射镜5和可见近红外探测器6；物方光线经狭缝1入射，依次经过主反射镜2、反射式光栅3、次反射镜4以及三反射镜5反射,到达可见近红外探测器6，其中经过反射式光栅时进行分光，最后光线到达可见近红外探测器并成像。本实施例提供的离轴四反结构成像光谱仪，由狭缝发出的光线经主反射镜将光线反射，形成第一反射光；反射式光栅为系统的孔径光阑，其刻线方向平行于狭缝平，设置在主反射镜的反射光路上，用于将第一反射光二次反射，形成第二反射光，同时使光发生色散；次反射镜设置在反射式光栅的反射光路上，用于将第二反射光再次反射，形成第三反射光；三反射镜设置在次反射镜的反射光路上，用于将第三反射光再次反射，形成第四反射光；第四反射光到达可见近红外探测器并成像。成像光谱仪的光学系统，其第一反射光的光路、第二反射光的光路、第三反射光与第四反射光的光路之间相互交叠。
[0039]
参见附图2，它是本实施例提供的成像光谱仪各光学元件所在坐标系的示意图；以
狭缝的中心为原点定义为第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，通过狭缝中心的一条水平方向的直线为z1轴，向左为负向右为正，y1轴在图2所示的平面内，垂直于z1轴向上为正向下为负，x1轴垂直于y1z1平面，垂直y1z1平面向里为正向外为负。在空间中相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)，以主反射镜所在的空间定义为第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)，以反射式光栅所在的空间定义一第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)，以次反射镜所在的空间定义为第四三维直角坐标系 (x4，y4，z4)，以三反射镜所在的空间定义一第五三维直角坐标系 (x5，y5，z5)，以可见近红外探测器所在的空间定义为第六三维直角坐标系(x6，y6，z6)。
[0040]
第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)的原点在第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的(0,0,49.60287)位置(单位：mm)，z2轴正方向相对于第一三维直角坐标系(x1，y1，z1)的z1轴正方向顺时针旋转15.50343
°
。
[0041]
第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)的原点在第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)的(0,12.85260,-46.51677)位置(单位：mm)，z3轴正方向相对于第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)的z2轴正方向顺时针旋转35.99359
°
。
[0042]
第四三维直角坐标系 (x4，y4，z4)的原点在第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)的(0,-9.49541,37.41381)位置(单位：mm)，z4轴正方向相对于第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)的z3轴正方向顺时针旋转26.38476
°
。
[0043]
第五三维直角坐标系 (x5，y5，z5)的原点在第四三维直角坐标系 (x4，y4，z4)的(0,13.44654,-36.37972)位置(单位：mm)，z5轴正方向相对于第四三维直角坐标系 (x4，y4，z4)的z4轴正方向逆时针旋转25.38111
°
。
[0044]
第六三维直角坐标系(x6，y6，z6)的原点在第五三维直角坐标系 (x5，y5，z5)的(0,-18.51059,42.13213)位置(单位：mm)，z6轴正方向相对于第五三维直角坐标系 (x5，y5，z5)的z5轴正方向顺时针旋转59.51309
°
。
[0045]
本实施例提供的光学系统的主反射镜、次反射镜以及三反射镜的面型数学描述分别为在第二三维直角坐标系(x2，y2，z2)、第四三维直角坐标系(x4，y4，z4)和第五三维直角坐标系 (x5，y5，z5)中的6次xy多项式自由曲面，自由曲面的面型表达式z为：
[0046] ；
[0047]
其中，每个曲面的曲率c、二次曲面系数k以及各项系数ai（i为1～27）的值参见表1。
[0048]
表1 主反射镜次反射镜三反射镜c-0.014610.006550.01220k-0.96997-27.94154-2.99679
a1000a
2-0.011131.280944.59073a30.14271-1.49661-1.93378a4000a50.08832-0.139790.16915a6000a
7-0.014240.652140.54851a8000a90.066050.252810.22774a
10-0.104490.125980.36132a
11
000a
12-0.231280.248040.80822a
13
000a
14-0.125930.121490.58969a
15
000a
16-7.12052e-030.036010.09474a
17
000a
18-1.70289e-030.057700.14943a
19
000a
20-2.92509e-04-0.03671-0.04661a
21-9.10609e-03-0.01191-0.01814a
22
000a
23-0.02811-0.02086-0.01424a
24
000a
25-0.02865-0.030630.10196a
26
000a
27
0.034360.051260.08482
[0049]
光学系统的反射式光栅的面型圆锥曲面，面型表达式z为：
[0050] ；
[0051]
其中，c=-0.00494为曲率，k=1
×
102为二次曲面系数。
[0052]
反射式光栅的面型数学描述为对应在第三三维直角坐标系(x3，y3，z3)中的圆锥曲面。
[0053]
本实施例提供的成像光谱仪其性能参数满足表2的条件。
[0054]
表2光谱范围400nm～1000nm物方数值孔径0.14工作f数3.57
像平面色散宽度6mm狭缝长度20mm刻线密度150条/mm光谱分辨率3.6nm体积80cm3可见近红外探测器像元18
µm×
18
µm[0055]
参见附图3，它是本实施例提供的成像光谱仪的全波段传递函数mtf曲线图；图中，上、中、下图分别是本实施例提供的成像光谱仪在波长分别为400nm、700nm、1000nm对应像面上的所有视场传递函数mtf曲线。由图3可知，在28lp/mm下400nm到1000nm工作波段全视场的光学传递函数均大于0.6，接近衍射极限，曲线平滑紧凑，说明此系统成像清晰、均匀，系统在全波段以及全视场具有较好的成像质量。
[0056]
参见附图4，它是本实施例提供的成像光谱仪在全视场全工作波段中的rms光斑半径曲线图。曲线（a）是全视场全工作波段的rms半径，曲线（b）是衍射极限下全工作波段的rms半径。由图4可知，在全视场全工作波段中，系统的rms均方根光斑半径小于4μm，且小于衍射极限rms半径，能量集中，满足使用要求。
[0057]
结果证明，本实用新型提供的基于离轴四反的成像光谱仪系统，其工作f数可达3.57，狭缝长度可达20mm，工作波段400nm到1000nm，在采样频率内，全工作波段、全视场的光学传递函数均接近衍射极限，成像质量较好，体积仅为80 cm3，满足无人机载光谱成像系统宽波段、宽视场、小型化和高分辨率要求。