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紫外小F数高变倍高光谱成像仪设计

刘洋 李博 林冠宇 王晓旭 李寒霜 顾国超

刘洋, 李博, 林冠宇, 王晓旭, 李寒霜, 顾国超. 紫外小F数高变倍高光谱成像仪设计[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(1): 79-88. doi: 10.37188/CO.2023-0037
引用本文: 刘洋, 李博, 林冠宇, 王晓旭, 李寒霜, 顾国超. 紫外小F数高变倍高光谱成像仪设计[J]. 中国光学(中英文), 2024, 17(1): 79-88. doi: 10.37188/CO.2023-0037
LIU Yang, LI Bo, LIN Guan-yu, WANG Xiao-xu, LI Han-shuang, GU Guo-chao. Design of UV-band hyperspectral resolution imaging spectrometer with small F-number and high variable ratio[J]. Chinese Optics, 2024, 17(1): 79-88. doi: 10.37188/CO.2023-0037
Citation: LIU Yang, LI Bo, LIN Guan-yu, WANG Xiao-xu, LI Han-shuang, GU Guo-chao. Design of UV-band hyperspectral resolution imaging spectrometer with small F-number and high variable ratio[J]. Chinese Optics, 2024, 17(1): 79-88. doi: 10.37188/CO.2023-0037

紫外小F数高变倍高光谱成像仪设计

doi: 10.37188/CO.2023-0037
基金项目: 国家重点研发计划(No. 2022YFB3903202)
详细信息
    作者简介:

    刘 洋(1998—),女,吉林公主岭人,硕士研究生,2021 年于长春理工大学获得学士学位,主要从事光学设计方面的研究。E-mail:kun9823@163.com

    李 博(1981—),男,吉林梨树人,博士,研究员,2011年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事高光谱遥感总体设计方面的研究。E-mail:libo0008429@163.com

    林冠宇(1976—),男,吉林白城人,博士,研究员,2007年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事紫外光学遥感仪器设计方面的研究。E-mail:linguanyu1976@163.com

    王晓旭(1990—),男,辽宁丹东人,博士,助理研究员,2018 年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事紫外光学遥感及辐射定标技术方面的研究。E-mail:527537439@qq.com

    李寒霜(1987—),女,吉林四平人,博士,助理研究员, 2019 年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事紫外遥感仪器设计及辐射定标方面的研究。E-mail:lihanshuang06@163.com

    顾国超(1983—),男,吉林长春人,博士,副研究员,2019 年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事太阳模拟技术,光学设计,结构设计方面研究。E-mail:ggc-2003@163.com

  • 中图分类号: TH744

Design of UV-band hyperspectral resolution imaging spectrometer with small F-number and high variable ratio

Funds: Supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2022YFB3903202)
More Information
  • 摘要:

    常规成像光谱仪一般变倍比较低,不利于大视场长狭缝多通道光学系统的扩展应用,此外,空间遥感中紫外波段的辐射能量较低,需要成像光谱仪具有更小的F数。针对高光谱分辨率成像光谱仪小F数的探测需求,本文设计了一种具有高变倍的高光谱分辨率Offner紫外成像光谱仪。该成像光谱仪的后置分光系统采用了具有轻小型特点的改进型Offner结构。结合成像光谱仪对变倍比和小F数的需求,通过理论推导得到Offner初始结构参数。在像面前插入一块弯月透镜,增加系统的优化自由度,进而提升系统的成像质量。最终得到的成像光谱仪工作在270~300 nm波段时,具有40 mm的长狭缝,光谱分辨率优于0.6 nm,系统变倍比小于0.22,F数小于2,在截止频率为14 lp/mm 时,系统调制传递函数(MTF)均优于0.9,系统各波段各视场均方根半径(RMS)均小于12 μm。本文的研究对紫外波段高光谱探测成像光谱仪实现小F数、高变倍设计提供了一种设计方案。

     

  • 图 1  改进型Offner结构图

    Figure 1.  Schematic diagram of the improved Offner structure

    图 2  望远镜结构图

    Figure 2.  Telescope’s structure diagram

    图 3  望远镜 MTF 图

    Figure 3.  Telescope’s MTF diagram

    图 4  望远镜点列图

    Figure 4.  Telescope’s spot diagram

    图 5  望远镜像质评价图

    Figure 5.  Image quality evaluation map of the telescope

    图 6  分光系统结构图

    Figure 6.  Structure diagram of spectroscopic system

    图 7  各波段成像光谱仪的MTF曲线图

    Figure 7.  MTF diagrams at different wavelengths

    图 8  各波段成像光谱仪的点列图

    Figure 8.  Spot diagrams at different wavelengths

    图 9  紫外小F数高变倍高光谱成像仪结构图

    Figure 9.  Structure diagram of UV-bound hyperspectral imaging spectrometer with small F-number and high variable ratio

    图 10  各波段整体结构MTF曲线图

    Figure 10.  MTF diagrams of the system at different wavelengths

    图 11  各波段整体结构 RMS 点列图

    Figure 11.  RMS spot diagrams of the system at different wavelengths

    图 12  谱线弯曲

    Figure 12.  Spectral distortion

    图 13  色畸变

    Figure 13.  Chromatic distortion

    图 14  紫外小F数高变倍高光谱成像仪MTF公差分析

    Figure 14.  MTF tolerance analysis of UV-band hyperspectral imaging spectrometer with small F-number and high variable ratio

    表  1  F数高变倍成像光谱仪指标要求

    Table  1.   Index requirements of imaging spectrometer with small F-number and high variable ratio

    参数指标
    波段/nm270~300
    视场/(°)20
    F2
    变倍比<0.22
    光谱分辨率/nm<0.6
    狭缝长度/mm40
    MTF>0.8@14 lp/mm
    探测器像元尺寸/μm20×30
    下载: 导出CSV

    表  2  F数高变倍成像光谱仪系统数据

    Table  2.   Imaging data of spectrometer system with small F-number and high variable ratio

    表面Y半径/mmY偏心/mmAlpha倾斜/(°)
    1−990.00−5.8912.18
    2−233.73/−4.65
    3infinite−130.12−3.86
    4−386.80127.077.97
    5510.22−88.36−28.17
    6204.34//
    7infinite−2819.34
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2023-03-01
  • 修回日期:  2023-04-03
  • 网络出版日期:  2023-07-12

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