一种基于离轴四反结构的成像光谱仪制造技术

本实用新型专利技术涉及一种基于离轴四反结构的成像光谱仪。物方光线由狭缝入射，依次经过主反射镜、反射式光栅，次反射镜，三反射镜，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；成像光谱仪光学系统中的主反射镜、次反射镜及三反射镜的反射面均为6阶XY多项式型自由曲面；反射式光栅为圆锥曲面凸面光栅。本实用新型专利技术提供的成像光谱仪的工作波段为400～1000nm，具有长狭缝，结构紧凑的特点，较好的控制了全波段全视场像差，获得较好的成像质量和分辨率，其结构轻小的优点具有广泛的应用前景。泛的应用前景。泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于离轴四反结构的成像光谱仪


[0001]本技术属于光谱成像
，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。

技术介绍

[0002]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。
[0003]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。
[0004]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。
专利技术内容
[0005]本技术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。
[0006]实现本技术专利技术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；
[0007]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)；
[0008]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
°
；
[0009]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
°
；
[0010]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
°
；
[0011]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
°
；
[0012]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
°
；
[0013]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]本技术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
‑
2.99679A1000
A2‑
0.011131.280944.59073A30.14271
‑
1.49661
‑
1.93378A4000A50.08832
‑
0.139790.16915A6000A7‑
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
‑
1.70289本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于离轴四反结构的成像光谱仪，其特征在于：它的光学系统包括狭缝（1）、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；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)；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
°
；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
°
；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
°
；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
°
；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
°
；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：；其中，c为曲率；k为二次曲面系数；A1～A
27
为多项式系数；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；
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：；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...

【专利技术属性】
技术研发人员：季轶群，韩继周，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：