(19)国家知识产权局 (12)实用新型专利 (10)授权公告 号 (45)授权公告日 (21)申请 号 202221355449.6 (22)申请日 2022.06.01 (73)专利权人 苏州大学 地址 215137 江苏省苏州市相城区济学路8 号 (72)发明人 季轶群　冯安伟　韩继周　赵世家　 (74)专利代理 机构 苏州创元专利商标事务所有 限公司 3210 3 专利代理师 陶海锋 (51)Int.Cl. G01J 3/28(2006.01) G01J 3/02(2006.01) G01N 21/25(2006.01) G01N 21/01(2006.01) G02B 27/10(2006.01)G02B 5/18(2006.01) G02B 5/10(2006.01) (54)实用新型名称 一种基于自由曲面的分光成像系统 (57)摘要 本实用新型涉及一种基于自由曲面的分光 成像系统， 它为全反射式结构， 入射狭缝和成像 传感器位于凸面光栅的非衍射面一侧， 球面反射 镜和自由曲面反射镜位于凸面光栅的衍射面一 侧； 入射狭缝和球面反射镜位于光轴同一侧， 自 由曲面反射镜和成像传感器位于光轴的另一侧； 球面反射镜与凸面光栅共轴同心； 系统光阑位于 凸面光栅上。 本实用新型的主反射镜为球面反射 镜， 第三反射镜为XY多项式自由曲面反射镜， 光 栅为凸面衍射光栅， 分光 成像系统利用自由曲面 较高的自由度校正系统的像散， 具有宽视场、 高 像质、 高光谱分辨率的优点， 适用于推扫型成像 光谱仪。 权利要求书1页 说明书4页 附图2页 CN 217483671 U 2022.09.23 CN 217483671 U 1.一种基于自由曲面的分光成像系统， 其特征在于： 它为全反射式结构， 包括入射狭缝 （1） 、 球面反射镜 （2） 、 凸面光栅 （3） 、 自由曲面反射镜 （4） 及成像传 感器 （5） ； 入射狭缝 （1） 和 成像传感器 （5） 位于凸面光栅 （3） 的非衍射面一侧， 球面反射镜 （2） 和自由曲面反射镜 （4） 位 于凸面光栅 （3） 的衍射面一侧； 入射狭缝 （1） 和球面反射镜 （2） 位于光轴同一侧， 自由曲面反 射镜 （4） 和成像传感器 （5） 位于光轴的另一侧； 球面反射镜 （2） 与凸面光栅 （3） 共轴同心； 系 统光阑位于凸面 光栅 （3） 上； 入射的远心光线经入射狭缝 （1） 入射， 由球面反射镜 （2） 反射后， 会聚光束入射至凸面 光栅 （3） 的衍射面上， 经光谱分光后的发散光束经自由曲面反射镜 （4） 反射， 会聚于成像传 感器； 所述自由曲面反射镜 （4） 的面型为XY多项式自由曲面， 所在坐标系为以自由曲面反射 镜的顶点为原 点O构建的笛卡尔空间直角坐标系， 光线入射方向为Z轴正方向， Y轴正方向向 上， X轴正方向为垂直 纸面向里， 坐标系中XY多 项式自由曲面z(x,y)的方程式为： 式中， c为曲率， c= ‑1.17×10‑2； k为二次曲面系数， k=0.046； 各项的系数值分别为  A2 =‑ 0.241， A3=0.725， A5=0.751， A7=2.6×10‑2， A9=1.9×10‑2， A10=0.195, A12=0.466, A14=0.302， A16=0.144,A18=0.307， A20=0.158， A23=0.073， A25=0.322， A27=0.372。 2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统， 其特征在于： 入射狭缝的 长度S的取值范围为5m m≤S≤50mm。 3.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统， 其特征在于： 凸面光栅的 曲率半径R的取值范围为5 0mm≤R≤10 0mm。 4.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统， 其特征在于： 球面反射镜 的曲率半径R1与凸面光栅的曲率半径R的比值K1的取值范围为1.8≤K1≤2.2。 5.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统， 其特征在于： 自由曲面反 射镜的曲率半径R2与凸面光栅的曲率半径R的比值K2的取值范围为1.8≤K2≤2.2。 6.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统， 其特征在于： 所述系统的 总长L的取值范围为5 0mm≤L≤20 0mm。 7.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统， 其特征在于： 系统 的工作 F数的取值范围为2≤F≤ 5。 8.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的分光成像系统， 其特征在于： 系统 的工作 波段为400nm～1000nm。权　利　要　求　书 1/1 页 2 CN 217483671 U 2一种基于自由曲面的分光成像系统 技术领域 [0001]本实用新型涉及一种分光成像系统， 特别涉及一种基于自由曲面反射镜和凸面光 栅， 适用于推扫型成像光谱仪的全反射式分光成像系统。 背景技术 [0002]成像光谱仪能同时采集地物形貌特征和光谱特征， 具有图谱合一性， 其广泛应用 在卫星遥感技术、 林业、 农业、 地质 、 医药、 军事、 海洋、 地质勘探、 生产制造、 色度学、 生态学 等相关领域， 具有巨大 的应用价值和广阔的发展前景。 成像光谱仪作为新一代的空间光学 遥感仪器， 标志着遥感技术的进步与发展。 它能够同时获取被探测目标的空间信息和光谱 信息， 其工作波段宽、 分辨率高。 随着成像光谱仪的不断发展， 对于成像光谱仪的技术指标， 如相对孔径、 光谱分辨 率、 空间分辨 率和对弱 信号的探测能力要求越来越高。 [0003]同心结构的Offner光谱仪因其高性能和紧凑结构， 已被广泛应用于成像光谱系 统， 其应用受材料限制和环境影响很小， 易实现焦面稳定性和光谱稳定性， 适用于空间环 境。 D.Kwo等人提出基于罗兰圆配置的Offner 光栅成像光谱仪， 主镜和次镜为一块大 凹球面 镜， 可以消除第三级像差， 但消除第 五级像散则需要通过使用像差校正光栅或者将光栅略 微倾斜的方法， 会引入彗差。 M.P.Chrisp  等针对此缺点进行了改进， 将大凹球面镜分成两 个小凹球面镜， 重新获得同心结构并采用罗兰圆配置， 使得光谱成像系统更具小型化和轻 量化， 这种结构称为Chrisp ‑Offner型， 具有更强的像差校正能力。 近来， 基于自由曲面反射 镜的成像光谱仪逐渐成为研究热点， 利用自由曲面较高的自由度可以校正系统的残余像 差， 可在更紧凑的结构实现更宽的视场和更好的像质。 [0004]现有技术提供的推扫型成像光谱仪中， 光学元件多使用球面反射镜或平面衍射光 栅。 文献“Offner成像光谱仪的设计方法 ”（ [J] .光学学报  , 2010 (4): 1148‑1152） 报道 了一种凸面光栅Offner分光成像系统， 采用两块球面反射镜， 像差校正能力有限； 中 国实用 新型专利CN  103900688  A公开了一种基于自由曲面的成像光谱仪分光系统， 其采用Offner 结构， 引入两块自由曲面反射镜进一步校正系统像差， 其光学元件中采用平面衍射光栅， 虽 制作技术成熟， 但还 存在着谱线弯曲和色畸变 较大的不足。 发明内容 [0005]本实用新型针对现有技术存在的不足， 提供了一种具有宽视场、 高像质性能的用 于推扫型成像光谱仪的全反射式分光成像系统。 [0006]为实现上述发明目的， 本实用新型采用的技术方案提供一种基于自由曲面的分光 成像系统， 它为全反射式结构， 包括入射狭缝、 球面反射镜、 凸面光栅、 自由曲面反射镜及成 像传感器； 入射狭缝和成像传感器位于凸面光栅的非衍射面一侧， 球面反射镜和自由曲面 反射镜位于凸面光栅的衍射面一侧； 入射狭缝和球面反射镜位于光轴同一侧， 自由曲面反 射镜和成像传感器位于光轴的另一侧； 球面反射镜与凸面光栅共轴同心； 系统光阑位于凸 面光栅上；说　明　书 1/4 页 3 CN 217483671 U 3