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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

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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]. . 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]. .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 small f-number high variable power hyperspectral resolution imaging spectrometer[J]. Chinese Optics. 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 small f-number high variable power hyperspectral resolution imaging spectrometer[J].Chinese Optics.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:地月大动态范围高精度成像光谱技术(No. 2022YFB3903202)
详细信息
    作者简介:

    刘 洋(1998—),女,吉林公主岭人,硕士,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 small f-number high variable power hyperspectral resolution imaging spectrometer

Funds:Supported by High precision imaging spectroscopy for Earth-moon large dynamic range (No. 2022YFB3903202)
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  • 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;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数需求的基础上,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,光谱采样0.15 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 structure diagram

    图 3望远镜 MTF 图

    Figure 3.Telescope MTF diagram

    图 4望远镜点列图

    Figure 4.Telescope spot diagram

    图 5望远镜像质评价图

    Figure 5.Telescope image quality evaluation map

    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 diagram 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 small F-number low magnification UV hyperspectral imager spectrometer

    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 overall structure 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 small F-number low variable powerUV hyperspectral imager spectrometer

    表 1小F数高变倍成像光谱仪指标要求

    Table 1.Small F-number high variable power imaging spectrometer index requirement

    参数 指标
    波段/nm 270−300
    视场/(°) 20
    F数 2
    变倍比 <0.22
    光谱分辨率/nm <0.6
    狭缝长度/mm 40
    MTF >0.8@14 lp/mm
    探测器像元尺寸/μm 20×30
    下载: 导出CSV

    表 2小F数高变倍成像光谱仪系统数据

    Table 2.Small F-number high variable imaging spectrometer system data

    表面 Y半径(mm) Y偏心
    (mm)
    Alpha倾斜
    (°)
    1 -990.00 -5.89 12.18
    2 -233.73 / -4.65
    3 infinite -130.12 -3.86
    4 -386.80 127.07 7.97
    5 510.22 -88.36 -28.17
    6 204.34 / /
    7 infinite -28 19.34
    下载: 导出CSV
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