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消像散的自由曲面棱镜光谱仪光学系统设计

张佳伦 郑玉权 蔺超 纪振华

张佳伦, 郑玉权, 蔺超, 纪振华. 消像散的自由曲面棱镜光谱仪光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2020, 13(4): 842-851. doi: 10.37188/CO.2019-0049
引用本文: 张佳伦, 郑玉权, 蔺超, 纪振华. 消像散的自由曲面棱镜光谱仪光学系统设计[J]. 中国光学(中英文), 2020, 13(4): 842-851. doi: 10.37188/CO.2019-0049
ZHANG Jia-lun, ZHENG Yu-quan, LIN Chao, JI Zhen-hua. Design of a freeform curved prism imaging spectrometer based on an anastigmatism[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 842-851. doi: 10.37188/CO.2019-0049
Citation: ZHANG Jia-lun, ZHENG Yu-quan, LIN Chao, JI Zhen-hua. Design of a freeform curved prism imaging spectrometer based on an anastigmatism[J]. Chinese Optics, 2020, 13(4): 842-851. doi: 10.37188/CO.2019-0049

消像散的自由曲面棱镜光谱仪光学系统设计

doi: 10.37188/CO.2019-0049
基金项目: 国家重点研发计划资助项目(No.2016YFB0500300)
详细信息
    作者简介:

    张佳伦(1994—),男,吉林长春人,硕士研究生,2016年于长春理工大学获得学士学位,主要从事高光谱成像技术、光学系统设计方面的研究。E-mail:jlzhang0807@163.com

    郑玉权(1972—),男,内蒙古通辽人,博士,博士生导师,研究员,主要从事航空航天高光谱成像技术、光学系统设计、光谱辐射测量与定标等方面的研究。E-mail:zhengyq@sklao.ac.cn

    蔺 超(1984—),男,内蒙古呼伦贝尔人,硕士,副研究员,主要从事光谱仪器结构设计及光谱定标方面的研究。E-mail:linchao@ciomp.ac.cn

    纪振华(1986—),男,黑龙江双鸭山人,硕士,助理研究员,主要从事空间遥感器设计、光谱辐射定标等方面的研究。E-mail:jizhenhua001@126.com

  • 中图分类号: TP394.1;TH691.9

Design of a freeform curved prism imaging spectrometer based on an anastigmatism

Funds: National Key Research and Development Program of China (No.2016YFB0500300)
More Information
  • 摘要: 本文根据像差理论,开发了一种计算次镜外反射的Offner型自由曲面棱镜光谱仪初始结构的算法。通过光线追迹获得光线在次镜外反射Offner型光谱仪各光学表面传播的公式,该公式可以确定光学元件的结构参数。应用轴外细光束像散理论分析系统产生的像散,并设定合理阈值作为结构算法的判断依据。在Matlab中迭代优化出符合设计要求的初始结构,使用Zemax软件对获得的初始结构进行优化。为验证算法效果,本文设计了光谱范围为380~780 nm,数值孔径为0.15,光谱分辨率为6 nm的自由曲面棱镜光谱仪的初始结构。在Zemax中完成优化后系统可达到设计指标且谱线弯曲和色畸变均优于0.1 pixels。设计结果表明采用本文算法可以快速计算出符合要求的初始结构,大大简化了后续优化的复杂程度。

     

  • 图 1  次镜外反射型自由曲面棱镜光谱仪结构图

    Figure 1.  Structural diagram of the freeform curved prism imaging spectrometer with secondary mirror external reflection

    图 2  次镜前自由曲面棱镜光谱仪光路示意图

    Figure 2.  Schematic diagram of the freeform curved prism spectrometer light path before secondary mirror

    图 3  次镜后自由曲面棱镜光谱仪光路示意图

    Figure 3.  Schematic diagram of light path of the freeform curved prism spectrometer after secondary mirror

    图 4  轴外细光束像散示意图

    Figure 4.  Schematic diagram of off-axis rays astigmatism

    图 5  本文算法流程图

    Figure 5.  Flow chart of proposed algorithm

    图 6  初始自由曲面棱镜光谱仪结构示意图

    Figure 6.  Schematic diagram of initial freeform curved prism spectrometer

    图 7  优化后的自由曲面棱镜光谱仪结构示意图

    Figure 7.  Schematic diagram of the optimized freeform curved prism spectrometer

    图 8  优化后光学系统调制传递函数

    Figure 8.  MTF of optimized optical system

    表  1  设计指标

    Table  1.   Specifications designed for the system

    参数设计值
    光谱范围/nm 380~780
    数值孔径 0.15
    光谱分辨率/nm 6
    像元尺寸/µm 13 × 13
    色散元件材料 ZF6
    色散面大小 1 mm
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    表  2  初始结构数据

    Table  2.   Initial structural data (mm)

    表面半径厚度材料偏心量
    1249.500 000
    2−248.510 000−104.255 000MIRROR−45.990 000
    3−138.305 000−15.990 000ZF6−36.980 000
    4−122.315 000−5.990 000−43.980 000
    5−122.275 0005.990 000MIRROR−45.990 000
    6−122.315 00015.990 000ZF6−43.980 000
    7−138.305 000104.255 000−36.980 000
    8−248.510 000MIRROR−45.990 000
    9
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    表  3  优化后结构数据

    Table  3.   Optimized structural data (mm)

    表面半径厚度材料偏心量
    1 —— 240.045 897
    2 −234.113 632 −99.964 613 MIRROR −58.302 387
    3 −138.439 720 −18.303 653 ZF6 −42.950 734
    4 −120.219 597 −7.986 594 −49.982 314
    5 −105.485 631 7.986 594 MIRROR −60.171 600
    6 −120.219 597 18.303 653 ZF6 −49.982 314
    7 −138.439 720 89.943 651 −42.950 734
    8 −223.969 005 —— MIRROR −61.713 353
    9 —— ——
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  • [1] 郑玉权. 小型Offner光谱成像系统的设计[J]. 光学精密工程,2005,13(6):650-657. doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2005.06.005

    ZHENG Y Q. Design of compact Offner spectral imaging system[J]. Optics and Precision Engineering, 2005, 13(6): 650-657. (in Chinese) doi: 10.3321/j.issn:1004-924X.2005.06.005
    [2] SANG B, SCHUBERT J, KAISER S, et al. The EnMAP hyperspectral imaging spectrometer: instrument concept, calibration, and technologies[J]. Proceedings of SPIE, 2008, 7086: 708605. doi: 10.1117/12.794870
    [3] FÉRY C. A prism with curved faces, for spectrograph or spectroscope[J]. The Astrophysical Journal, 1911, 34(1): 79.
    [4] MORRISSEY P F. Third-order aberrations of a prism with spherically curved surfaces[J]. Applied Optics, 1994, 33(13): 2539-2543. doi: 10.1364/AO.33.002539
    [5] 刘力. Fery棱镜特性及应用研究[D]. 苏州: 苏州大学, 2013.

    LIU L. Research of the properties and application of Fery prism[D]. Suzhou: Soochow University, 2013. (in Chinese)
    [6] 刘立银. 曲面棱镜Offner高光谱成像系统的设计研究[D]. 南京: 南京理工大学, 2016.

    LIU L Y. Design and research of curved prism Offner hyperspectral imaging system[D]. Nanjing: Nanjing University of Science and Technology, 2016. (in Chinese)
    [7] 张营.长波红外高光谱成像仪光学技术研究[D].北京: 中国科学院大学,2016

    ZHANG Y. Optical technology of long-wave infrared hyperspectral imaging[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2016. (in Chinese)
    [8] 胡海翔.空间光学自由曲面应用的关键技术研究[D].北京: 中国科学院大学,2017

    HU H X. Research on the key technologies in the application of space optical freeform surfaces[D]. Beijing: University of Chinese Academy of Sciences, 2017. (in Chinese)
    [9] LOBB D R. Imaging spectrometers using concentric optics[J]. Proceedings of SPIE, 1997, 3118: 339-347. doi: 10.1117/12.283838
    [10] 张云翠, 刘龙, 曹冠英, 等. Fery棱镜光谱仪设计[J]. 红外与激光工程,2009,38(2):287-289. doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2009.02.021

    ZHANG Y C, LIU L, CAO G Y, et al. Design of spectrograph with novel Fery prism[J]. Infrared and Laser Engineering, 2009, 38(2): 287-289. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1007-2276.2009.02.021
    [11] 聂云峰, 相里斌, 周锦松, 等. 基于曲面棱镜的宽视场推帚式高光谱成像仪设计[J]. 光谱学与光谱分析,2012,32(6):1708-1711. doi: 10.3964/j.issn.1000-0593(2012)06-1708-04

    NIE Y F, XIANG L B, ZHOU J S, et al. A wide-field push-broom hyperspectral imager based on curved prism[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2012, 32(6): 1708-1711. (in Chinese) doi: 10.3964/j.issn.1000-0593(2012)06-1708-04
    [12] 刘光宏, 吴刚, 凌青, 等. Offner成像光谱仪建模及像差分析[J]. 光学学报,2011,31(3):0322001. doi: 10.3788/AOS201131.0322001

    LIU G H, WU G, LING Q, et al. Modelling of Offner imaging spectrometers and aberrations analysis[J]. Acta Optica Sinica, 2011, 31(3): 0322001. (in Chinese) doi: 10.3788/AOS201131.0322001
    [13] FENG L, ZHOU J S, WANG D. A miniature design of near infrared spectrometer with wide field of view[J]. Proceedings of SPIE, 2014, 9298: 92980M.
    [14] 赵渊明. 消像散自由曲面离轴显示系统设计方法研究[D]. 长春: 长春理工大学, 2018.

    ZHAO Y M. Studies on the design of off-axis display systems with an astigmatic free-form surface[D]. Changchun: Changchun University of Science and Technology, 2018. (in Chinese)
    [15] FENG L, ZHOU J S, JING J J, et al. A design of miniature imaging spectrometer with Fery prism[J]. Proceedings of SPIE, 2016, 10000: 100001P.
    [16] DONG W, NIE Y F, ZHOU J S, et al. Design of a concise Féry-prism hyperspectral imaging system based on multi-configuration[J]. Proceedings of SPIE, 2013, 8910: 89100B.
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-03-12
  • 修回日期:  2019-04-03
  • 刊出日期:  2020-08-01

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