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第船卷第5期V01.38No.5红外与激光工程InfraredandLaserEngineering2009年10月Oct.2009一种大相对孔径成像光谱仪前置物镜设计宫广彪,季轶群,朱善兵,张蕊蕊,沈为民(苏州大学现代光学技术研究所,江苏苏州215006)摘要:Offner型成像光谱仪具有结构紧凑,成像质量理想的优点,为了提高光谱分辨率,实现更多谱段的光谱成像,需要分光成像系统有强的集光能力,即需要大的相对孔径;为了消除折射材料的影响,提高光栅利用效率,系统应该全反射无遮拦,为此选用离轴三反射镜系统作为它的前置物镜。离轴三反射镜光学系统具有无色差、光谱范围宽、无遮拦、像差矫正能力强和对温度不敏感等优点,可作为成像光谱仪的理想前置系统。根据该成像仪的技术要求,得到系统F数为F/2.47,焦距为360film,视场角为2.50。通过优化设计,得到了一个大相对孔径的离轴三反射镜前置物镜系统。该系统相对孔径大,光能利用率高,成像质量达到衍射极限,特别是次镜采用球面,大大降低了制造检测难度和成本。关键词:前置物镜;中图分类号:0435离轴三反射镜;文献标识码:A大相对孔径;成像光谱仪;光学设计文章编号:1007-2276(2009)05-0889-04Designofafore-opticalobjectivewithlargerelativeapertureforspectralimagersGONGGuang-biao,JIYi-qun,ZHUShan-bing,ZHANGRui-mi,SHENWei—min(ModernOpticalTechnologyInstitute,SoochowUniversity,Suzhou215006,China)Abstract:Offnerordertospectralimagerhastheadvantagesofcompactnessandidealimagingquality.Inimproveitsspectralresolution,acquiremorespectralbandimages,itsspectroscopicimagingsystemsmusthavehighcollectivity,i.e.1argerelativeaperture.Besides,forpurposeofeliminatingtheinfluenceofrefractivematerialareandenhancingtheUseefficiencyofgrating,purereflectivesystemsaSwithoutobstructionsuitablechoice.Andanoff—axisthree-mirrorsystemwasusedthefore-opticalaberrationthefore’objective.Itcorrectionopticalhastheadvantagesofachromatism,widetospectralrange,non-obstruction,exceHentcanabilityandimmunityitsenvironmentaltemperature.Ittoideallybetakenasobjectiveofspectralimagers.Accordingfocallength,andthefieldthespecificationofourdesignedspectralimager,thenlnl,andF-number,theofviewoftheobjectiveshouldreachF/2.47,3602.5。,respectively.Throughoptimizationdesign,asystemwithlargerelativeaperturemirrorfore-opticalandoff—axisthree—lightobjectivewasobtained.Itsadvantagesincludeespeciallyitslargerelativeaperture,highutilization,diffraction-limitedimagingperformance,andcostconvexsphericalsecondarymirrormakesitsmanufactureandtestdifficultyandbesubstantiallyreduced.Keywords:Fore-opticalobjective;Off-axisthree—mirror;Largerelativeaperture;Spectralimager;Opticaldesign收稿日期:2008—12一lO;修订日期:2009-02—05基金项目:国家863计划资助项目(2007AAl22103);江苏省自然科学基金资助项目(06kjal4003)作者简介:宫广彪(1981一),男。安徽宿州人,硕士,主要从事空间遥感光谱仪前置物镜研究。Email:ggb2116@163.tom导师简介:沈为民(196a-),男,江苏吴江人,研究员,博上生导师,博士,主要从事空间光学方面的研究工作。Email:swm@suda.edu.cn万方数据红外与激光工程第38卷O引言20世纪70年代末80年代初,在航天遥感领域,人们提出利用物体不同波段处的图像来实现对地面地物的空间分布情况进行探测的思想,由此产生了谱图合一的光谱成像技术【l】,广泛应用在军事、海洋和地质勘探等领域m1。近年来,人们主要关注成像光谱仪中的分光技术,而对前置物镜的研究相对较少,该物镜在系统中承担着把目标物成像到成像光谱仪物面上的重要作用。为了提高光谱分辨率,实现更多谱段的光谱成像,需要分光成像系统有强的集光能力,即需要大的相对孔径。因此,前置物镜要有相对应的相对孔径来满足成像光谱仪的要求13-41。为了满足成像光谱仪的发展需求,有必要研制一种大相对孔径的前置物镜。首先根据本单位研制的成像光谱仪的技术指标确定前置物镜的系统参数,介绍了设计思想,然后给出优化设计得到的离轴三反射镜系统及像质评价。1系统技术指标参数所设计研制的超光谱成像仪用离子刻蚀全息凸面光栅代替反射Offner中继系统中的凸面反射镜实现分光,如图l所示。孔径光阑置于凸面光栅G上,前置系统L形成的目标像经过狭缝S由主镜M。反射至凸面光栅,经光栅衍射,物体的不同光谱信息被分开,最后经三镜M2反射成像到焦平面SI上。该系统为物方和像方远心光路,物像放大率为0.998,物方数值孔径为0.1991,视场(狭缝长度)8InlTl,工作波段400—1000nm。图l成像光谱仪结构示意图Fig.1Schematicconfigurationofimagingspectrometer万方数据前置物镜的作用是把目标物成像到图l中的狭缝S上,其参数应根据光谱成像仪的技术指标及实际应用要求确定H1。载荷平台的轨道高度H=500km,地面像元分辨率要求s=10.5m,谱面上的焦平面探测器CCD像元映射到入射狭缝所在平面(即I;i『置物镜像平面)上的尺寸是7.51w,mx7.51斗m。可由公式(1)确定前置物镜的有效焦距.厂:争=旦Hf”J(1)式中:6为焦平面等效像元尺寸,计算后取有效焦距为350mm。由狭缝长度和焦距可得:系统全视场为1.270即可满足使用要求,为了扩大仪器的可用视场范围和地面覆盖宽度,满足以后科研需求,全视场扩大到2.5。,地面覆盖范围20km。为J,使前置系统的出瞳和成像光谱仪的入瞳匹配,前置物镜应该为像方远心系统f41,由数值孔径的匹配可算出入瞳直径约为147mill。2设计思想从上述技术指标来看,如果采用折射系统,二级光谱和倍率色差对像质有很大影响,二者在远心系统中很难控制,残留的倍率色差会使图像产生色畸变[5--81,而且玻璃材料对环境温度比较敏感,会使焦面偏移,导致系统重新对焦。反射光学系统具有无色差、受环境温度影响小的特点。同轴两镜系统,如经典的R-C系统和斯密特卡塞格林系统,具有结构简单,便于加工装调的特点,但是校正像差的能力有限,而且由于存在遮拦,降低了成像光谱仪中的光栅利用率。同轴三镜反射光学系统,校正像差能力比较强,可以满足像差要求,但是存在二次遮拦,结构较复杂,像面通常位于光路中,难以和光谱成像系统相耦合。离轴的两镜系统,虽然可以离轴三反射镜系统继承了同轴乏反射镜系统的自由变量外,还额外增加了反射镜的倾斜和偏心作为避开遮拦,但是视场做不大,不能满足所设计的光谱仪的要求。变量。它在满足系统结构要求的同时,还可以满足像差要求。通过光阑离轴或视场离轴避开遮拦,利用主镜的非球面化来减小球差、彗差和扩大视场、倾斜引05:第5期宫广彪等:一种大相对孔径成像光谱仪前置物镜设计89l起的彗差和像散,利用第三块镜子的非球面化和倾斜进行平衡。此外,可以把镜面的倾斜和偏心作为优化变量,满足结构要求和平衡各种像差[9-埘。在优化过程中,首先利用codev对共轴三反射镜系统进行优化达到理想像质;然后,把各个镜面的倾斜和偏心设置为变量进行人机交互式优化,逐渐使光路避开遮拦。3优化设计结果优化设计得到的光学系统如图2所示,相应的光学系统参数列于表1。02.50mmt-..----....--4图2优化设计得到的离轴光学系统Fig.2Configurationofoptmzedoff-axisopticalsystem图中,主镜MP是双曲面,次镜MS为球面,三镜MT为扁圆面,光阑在次镜上,出瞳位于像方无限远,后工作距离为像面I到次镜MS的距离,为45mm,系统结构尺寸约为395mm(z)x300mnl(y)x]50mm(x)。表1离轴光学系统参数Tab.1Parameterofoff-axisopticalsystem图3为调制传递函数(MTF)曲线,可见成像质量接近衍射极限,在焦平面等效像元尺寸对应的奈奎斯特频率65lp/mm处,MTF值等于0,78。图4为各个视场在像平面上的点列图,图中的圆表示此光学系统的爱里斑大小,可见光线追迹得到的点列图在爱里斑内,具有衍射受限的成像特性。万方数据lOO8limitl06==;(o.000,。005’’‘’。。’Diffraction三鬻嚣慧鬈o)。IWavelengthWeightO4I110…0.0O2三三三;:1750,.∞5慧::-_:(一0.,.O)。005I枷.o=I……1:OSpatialfrequency/(cycles’lnml图3像平面处的MTF曲线Fig.3CurveofMTFofimagingplaneFieldposition1。00,1.000.60,1.00I.250,.0050。0.750,.0050。0.80,1.000.00,1.001.000,.0050。0.000,.0050。Defoousing0.00000Defoauling0.00000图4像平面上的点列图Fig.4Spotdiagramofimageplane表2给出了系统存在的桶形畸变,沿工方向最大视场处存在最大负畸变,绝对值为2.43pLm,远小于系统像元尺寸。表2像平面上的畸变值Tab.2Distortionontheimagingplane图5为全视场像散图,随着物方视场角变化,线的长度和方向表示该视场点像散的大小和方位。从图5中可以看出:在像平面上存在两个像散节点带,像散随物方视场角呈抛物线型变化,在节点处有最小值1.6p.m,在中心视场有最大值为4.3斗m。像散在光谱成像仪中对成像质量有很大影响,通常要求它的剩余绝对值在一个像元以内,该系统的像散最大值小于单个像元。畸变的大小影响进入光谱成像仪的光谱信号保真度,要求它越小越好,该前置物镜在用到的视场范围内最大畸变约为十分之一个像红外与激光工程第38卷图5像平面处像散图Fig.5Astigmaticofimagingplane元。点列图弥散斑在系统的爱里斑内,系统成像质量接近衍射极限。4结论根据成像光谱仪的技术与实际应用要求,确定了前置物镜的技术指标参数,给出了设计思想,通过优化得到了满足在研成像光谱仪要求的结果。该系统的主要特点是相对孑L径大,无遮拦,光能利用效率高,在全视场范围内像质达到衍射极限。特别是次镜为球面,主镜和三镜均为二次曲面,有利于降低加工检测成本。参考文献:【11XUEMing-qiu,SHENWei-vain,PANJun-hua.Opticalsystemsusedinaerospaceremotesensing【C]//TheDevelopmentofModernOpticsandPhotonics(薛呜球,沈为民,潘君骅.航天遥感用光学系统.现代光学与光子学的进展)。2002:243—265.【2】SCHAEPMANME,GREENR0。UNGARSG’eta1.Thefutureofimagingspectroscopyprospectivetechnologiesand万方数据applications【C]//IEEEInternationalGeoscienceandRemoteSensingSymposium,2006:2005-2009.㈨FANXue—WU,CHENRong—li,LIUBo,eta1.Opticaldesignofprefixingobjectiveofimagingspectrometer[J].ActaPhotonicaSinica(樊学武,陈荣利,刘h,等.一种成像光谱仪前置物镜的设计.光子学报),2003,29(4):498—499.…JIYi-qun.SHENWei—rain.Compacthyperspectralimagingsystemwithaconvexgrating【Cl,,Pr∞钾mn挚ofSPIE,OpticalDesignandTestingEli,2007,6834:68340Y1一Y9.吲HSHERJ,WELCHWC.Sunreyandanalysisoffore-opticsforhyperspeetralimagingsystem[Cl//ProceedingsofSHE.InfraredTechnologyandApplicationsXXXH,2006,6206:62062R.吲ZHENGGuo-xian,XUShi.-wen.Designofoff-axisthree—miiToranastigmatsystemusedonoceanimager【J1.JournalofAstronautics(郑囤宪,许士文.用于海洋成像仪的离轴三反光学系统设计.宇航学报),2007,28(4):1030—1033.吲WUHang-xing,HUAJian-wen,WANGMochang.Newspace-bomeremotesensingFouriertransforminfraredspectrometer[J].InfraredandLaserEngineering(吴航行,华建文,王模昌.新型红外宅问遥感用傅里叶变换光谱仪.红外与激光工程),2006.33(4):397-400.嘲WANGZhan—shah,WANGli,SANGTian,cta1.Designandfabricationofnarrowbandmultichannelfilters【J】.InfraredandLaserEngineering(占山,f利,桑出,等.窄带多通道滤光片的设计与制备.红外与激光工程),2007,36(3):289—292.吲LIULin,XUEMing-qiu,SHENWei-min.Approachtoincreasetheimageperformanceoftheuncoaxialthree-mirrorreflectivesystem[J].opticalTechnique(刘琳,薛鸣球,沈为民.提高离轴三反射镜系统成像质量的途径.光学技术),2002,28(3):181—184.mZHANGWei.LIUJian—feng,LONGFu—nian.Study011comp—ensationrelationshipsamongtheelementsinoff-axisthree-mirrorsystem[J1.ActaPhotonicaSinica(张伟,刘剑锋,龙夫年.离轴二反射镜光学元件l’BJ补偿关系研究.光子学报),2005,34(8):1160一】】64.一种大相对孔径成像光谱仪前置物镜设计作者:作者单位:刊名:英文刊名:年,卷(期):被引用次数:宫广彪,季轶群,朱善兵,张蕊蕊,沈为民,GONGGuang-biao,JIYi-qun,ZHUShan-bing,ZHANGRui-rui,SHENWei-min苏州大学,现代光学技术研究所,江苏,苏州,215006红外与激光工程INFRAREDANDLASERENGINEERING2009,38(5)2次参考文献(10条)1.薛鸣球;沈为民;潘君骅航天遥感用光学系统20022.SCHAEPMANME;GREENRO;UNGARSGThefutureofimagingspectroscopyprospectivetechnologiesandapplications20063.樊学武;陈荣利;刘卜一种成像光谱仪前置物镜的设计[期刊论文]-光子学报2003(04)4.JIYi-qun;SHENWei-rainCompacthyperspectralimagingsystemwithaconvexgrating20075.FISHERJ;WELCHWCSurveyandanalysisoffore-opticsforhyperspectralimagingsystem20066.郑国宪;许士文用于海洋成像仪的离轴三反光学系统设计[期刊论文]-宇航学报2007(04)7.吴航行;华建文;王模昌新型红外空间遥感用傅里叶变换光谱仪[期刊论文]-红外与激光工程2004(04)8.王占山;王利;桑田窄带多通道滤光片的设计与制备[期刊论文]-红外与激光工程2007(03)9.刘琳;薛鸣球;沈为民提高离轴三反射镜系统成像质量的途径[期刊论文]-光学技术2002(03)10.张伟;刘剑锋;龙夫年离轴二反射镜光学元件间补偿关系研究[期刊论文]-光子学报2005(08)本文读者也读过(10条)1.黄元申.陈南曙.张大伟.倪争技.庄松林.HuangYuanshen.ChenNanshu.ZhangDawei.NiZhengji.ZhuangSonglin一种凸面光栅Offner结构成像光谱仪的设计方法[期刊论文]-仪器仪表学报2008,29(6)2.季轶群.沈为民.JIYi-qun.SHENWei-min
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