留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

Offner分光成像系统的球面自准直法快速装调

杨拓拓,陈新华,赵知诚,朱嘉诚,沈为民

downloadPDF
杨拓拓, 陈新华, 赵知诚, 朱嘉诚, 沈为民. Offner分光成像系统的球面自准直法快速装调[J]. , 2020, 13(6): 1324-1331. doi: 10.37188/CO.2020-0058
引用本文: 杨拓拓, 陈新华, 赵知诚, 朱嘉诚, 沈为民. Offner分光成像系统的球面自准直法快速装调[J]. , 2020, 13(6): 1324-1331.doi:10.37188/CO.2020-0058
YANG Tuo-tuo, CHEN Xin-hua, ZHAO Zhi-cheng, ZHU Jia-cheng, SHEN Wei-min. Fast alignment of an offner imaging spectrometer using a spherical autostigmatic method[J]. Chinese Optics, 2020, 13(6): 1324-1331. doi: 10.37188/CO.2020-0058
Citation: YANG Tuo-tuo, CHEN Xin-hua, ZHAO Zhi-cheng, ZHU Jia-cheng, SHEN Wei-min. Fast alignment of an offner imaging spectrometer using a spherical autostigmatic method[J].Chinese Optics, 2020, 13(6): 1324-1331.doi:10.37188/CO.2020-0058

Offner分光成像系统的球面自准直法快速装调

doi:10.37188/CO.2020-0058
基金项目:国家重点研发计划(No. 2016YFB0500501-2)
详细信息
    作者简介:

    杨拓拓(1993—),男,河南灵宝人,硕士研究生,2017年于中国计量大学获得学士学位,2020年于苏州大学获得硕士学位,主要从事光学设计与仪器光学方面的研究。E-mail:20175208001@stu.suda.edu.cn

    陈新华(1982—),男,江苏盐城人,博士,副研究员,2013年于苏州大学现代光学技术研究所获得光学工程博士学位,主要从事光谱成像技术、光学系统设计与研制、光电测量技术等方面的研究。E-mail:xinhua_chen@stu.suda.edu.cn

    通讯作者:

    陈新华(1982—),男,江苏盐城人,博士,副研究员,2013年于苏州大学现代光学技术研究所获得光学工程博士学位,主要从事光谱成像技术、光学系统设计与研制、光电测量技术等方面的研究。E-mail:xinhua_chen@stu.suda.edu.cn

  • 中图分类号:TH744

Fast alignment of an offner imaging spectrometer using a spherical autostigmatic method

Funds:Supported by National Key Research and Development Program of China (No. 2016YFB0500501-2)
More Information
  • 摘要:Offner分光成像系统由凸面光栅和两个凹面反射镜组成。光学结构上同心的特点使其具有相对孔径大、畸变小、结构紧凑等优点。为了降低Offner分光成像系统的装调难度,提高装调效率,本文基于同心特点和球面自准直原理,研究了Offner分光成像系统的快速装调方法。首先搭建球面自准直装置,当该装置生成的点光源位于球面反射镜曲率中心处时,其反射像点和点光源重合。通过检测反射像点和点光源之间的位置偏差,可判定球面反射镜曲率中心位置的偏离程度。利用该装置定位主镜、凸面光栅和三镜的曲率中心位置,完成Offner分光成像系统的装调。实验结果表明,两块离轴凹面反射镜的曲率中心间距误差可控制在10 μm以内,装调完成的分光成像系统成像性能较好,满足指标要求。与现有装调方法相比,该方法具有易于对准、装调速度快、所需设备成本低等优点。

  • 图 1球面自准直装置光路图

    Figure 1.Light path diagram of the spherical autostigmatic device

    图 2球面自准直装置

    Figure 2.Spherical autostigmatic device

    图 3对心分辨率实验装置图

    Figure 3.Alignment resolution experimental device

    图 4Offner分光成像系统装调光路原理图

    Figure 4.Schematic diagram of the Offner optical imaging system assembly

    图 5主镜、三镜装调流程图

    Figure 5.Primary and tertiary mirrors assembly flowchart

    图 6光栅装调流程图

    Figure 6.Grating assembly flowchart

    图 7Offner分光成像系统光路图

    Figure 7.Optical path diagram of Offner optical imaging system

    图 8主镜三镜装调实物图

    Figure 8.The alignment physical map of the primary and tertiary mirror

    图 9主镜、三镜自准直光斑

    Figure 9.Autostigmatic spots of primary and tertiary mirrors

    图 10凸面光栅和辅助凹面镜装配实物图

    Figure 10.The alignment physical maps of the convex grating and auxiliary concave mirror

    图 11凸面光栅自准十字叉丝像

    Figure 11.Convex grating autostigmatic image point

    图 12光谱测试实验装置

    Figure 12.Spectral test experimental device

    图 13谱线图

    Figure 13.Spectral line map

    表 1对心分辨率测量数据

    Table 1.Alignment resolution measurement data

    $x$/μm ${x_i}$ $x'$/μm $\delta $/μm
    0 926.497 0.0 0.0
    12 792.524 11.6 −0.4
    21 682.097 21.1 0.1
    31 568.828 30.8 −0.2
    40 457.068 40.5 0.5
    52 322.229 52.1 0.1
    60 220.331 60.9 0.9
    最大误差0.9 μm 标准差0.4 μm
    下载: 导出CSV

    表 2Offner分光成像系统指标要求

    Table 2.System specifications of Offner imaging spectrometer

    指标 要求
    色散范围 6.6 mm
    光谱分辨率 2 nm
    谱线弯曲 <2%像元
    色畸变 <2%像元
    MTF ≥0.73
    下载: 导出CSV

    表 3Offner分光成像系统装调公差分配结果

    Table 3.Assembly adjustment tolerance distribution results of Offner imaging spectroscopy system

    公差类型 狭缝 主镜 光栅 三镜 窗口
    装调公差 倾斜/arc min X 1 基准 1 0.3 1
    Y 1 基准 1 0.3 1
    Z 1 基准
    偏心/mm X 0.02 基准 0.02 0.01
    Y 0.02 基准 0.02 0.01
    轴向位置/mm 0.02 0.01 0.01 0.02 0.155
    下载: 导出CSV

    表 4Offner分光成像系统性能测试结果

    Table 4.Performance test results of Offner imaging spectrometer system

    测试次数 平均光谱分辨率/nm 谱线弯曲/pixel 色畸变/pixel
    1 1.86 0.60% ±0.92%
    2 1.91 1.25% ±1.82%
    3 1.90 1.38% ±0.81%
    平均 1.89 1.08% ±1.18%
    下载: 导出CSV
  • [1] OFFNER A. New concepts in projection mask aligners[J].Optical Engineering, 1975, 14(2): 142130.
    [2] MERTZ L. Concentric spectrographs[J].Applied Optics, 1977, 16(12): 3122-3124.doi:10.1364/AO.16.003122
    [3] KWO D, LAWRENCE G, CHRISP M. Design of a grating spectrometer from a 1:1 Offner mirror system[J].Proceedings of SPIE, 1987, 818: 275-279.doi:10.1117/12.978898
    [4] REININGER F M, DAMI M, PAOLINETTI R,et al. Visible infrared mapping spectrometer-visible channel (VIMS-V)[J].Proceedings of SPIE, 1994, 2198: 239-250.doi:10.1117/12.176753
    [5] PEARLMAN J, CARMAN S, SEGAL C,et al. . Overview of the hyperion imaging spectrometer for the NASA EO-1 mission[C].Proceedings of IGARSS 2001.Scanning the Present and Resolving the Future.Proceedings.IEEE 2001 International Geoscience and Remote Sensing Symposium, IEEE, 2001: 3036-3038. .
    [6] MURCHIE S, ARVIDSON R, BEISSER K,et al. Compact Reconnaissance Imaging Spectrometer for Mars (CRISM) on Mars Reconnaissance Orbiter (MRO)[J].Journal of Geophysical Research, 2007, 112(E5): E05S03.
    [7] 刘玉娟. 基于同心光学系统的新型成像光谱仪研究[D]. 长春: 中国科学院研究生院(长春光学精密机械与物理研究所), 2012.

    LIU Y J. The study on newly imaging spectrometers based on concentric optics[D]. Changchun: Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, 2012. (in Chinese).
    [8] 赵美红, 李文昊, 巴音贺希格, 等. Offner成像光谱仪的消像差技术[J]. 光学 精密工程,2017,25(12):3001-3011.doi:10.3788/OPE.20172512.3001

    ZHAO M H, LI W H, BAYANHESHIG,et al. Aberration correction technique of Offner imaging spectrometer[J].Optics and Precision Engineering, 2017, 25(12): 3001-3011. (in Chinese)doi:10.3788/OPE.20172512.3001
    [9] 张浩, 方伟, 叶新, 等. 中/长波红外双衍射级次共路Offner成像光谱仪[J]. 光学 精密工程,2015,23(4):965-974.doi:10.3788/OPE.20152304.0965

    ZHANG H, FANG W, YE X,et al. Dual-order overlapped Offner imaging spectrometer in middle-and long-wave infrared regions[J].Optics and Precision Engineering, 2015, 23(4): 965-974. (in Chinese)doi:10.3788/OPE.20152304.0965
    [10] 刘玉娟, 崔继承, 巴音贺希格, 等. 凸面光栅成像光谱仪的研制与应用[J]. 光学 精密工程,2012,20(1):52-57.doi:10.3788/OPE.20122001.0052

    LI Y J, CUI J CH, BAYANHESHIG,et al. Design and application of imaging spectrometer with convex grating[J].Optics and Precision Engineering, 2012, 20(1): 52-57. (in Chinese)doi:10.3788/OPE.20122001.0052
    [11] ZHU J CH, SHEN W M. Analytical design of athermal ultra-compact concentric catadioptric imaging spectrometer[J].Optics Express, 2019, 27(21): 31094-31109.doi:10.1364/OE.27.031094
    [12] MOUROULIS P, GREEN R O. Review of high fidelity imaging spectrometer design for remote sensing[J].Optical Engineering, 2018, 57(4): 040901.
    [13] MOUROULIS P Z, MCKERNS M M. Pushbroom imaging spectrometer with high spectroscopic data fidelity: experimental demonstration[J].Optical Engineering, 2000, 39(3): 808.doi:10.1117/1.602431
    [14] 刘玉娟, 巴音贺希格, 崔继承, 等. 凸面光栅成像光谱仪的干涉法装调[J]. 光学 精密工程,2011,19(8):1736-1742.doi:10.3788/OPE.20111908.1736

    LI Y J, BAYANHESHIG, CUI J CH,et al. Interferometric alignment of imaging spectrometers with convex gratings[J].Optics and Precision Engineering, 2011, 19(8): 1736-1742. (in Chinese)doi:10.3788/OPE.20111908.1736
    [15] STEEL W H. The autostigmatic microscope[J].Optics and Lasers in Engineering, 1983, 4(4): 217-227.doi:10.1016/0143-8166(83)90015-5
    [16] PARKS R E. Autostigmatic microscope and how it works[J].Applied Optics, 2015, 54(6): 1436-1438.doi:10.1364/AO.54.001436
    [17] PARKS R E, KUHN W P. Optical alignment using the point source microscope[J].Proceedings of SPIE, 2005, 5877: 102-116.
  • 加载中
图(13)/ 表(4)
计量
  • 文章访问数:1540
  • HTML全文浏览量:453
  • PDF下载量:108
  • 被引次数:0
出版历程
  • 收稿日期:2020-04-08
  • 修回日期:2020-05-11
  • 网络出版日期:2020-10-29
  • 刊出日期:2020-12-01

目录

    /

      返回文章
      返回
        Baidu
        map