用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计

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用于高分辨率光谱仪的离轴三反射镜光学系统的设计

摘
要：面对空间遥感，尤其在目标特性的精细化识别中，要求成像光谱仪具有高灵敏度、光谱分辨率与高能量通过力高
等优点．同轴三反射光学系统的基础上，在采用视场离轴方式，设计了一个三镜无遮拦全反射光学系统．次镜和光阑重合，无中间像，实现了高分辨率、大视场、长焦距的要求．光学系统的基本参数为：焦距ｆ＝１６０ｍ视场角为２Ｗ＝１。．４。０ｍ，８ ×０１８，相对孔径为１１，／０３个反射面均为二次曲面．计结果表明，设成像质量接近衍射极限，用此方法设计的光学系统在航天遥感领
域具有很好的应用前景．关键词：空间光学；离轴三反系统；光学设计；长焦距中图分类号：Ｈ４０３．Ｔ７；４５２文献标识码：Ａ文章编号：６３—１５（０００ —０２ —０１７２５２１）１０９４
ＤｅｉｎｆＵｎｏｘａｓｇｏｃａｉｌＴｈｒｅｒｆｅｔｖｔｃｌＳｓｅｅｎｅ－ｅｌｃｉｅＯｐｉａｙｔｍＵｓｄｉＩａｉｐｃｒｍｅｅｔｉｈＳｃｒｍｓｌｔｏｍｇｎｇＳｅｔｏｔｒｗｉｈＨｇｐｅｔｕＲｅｏｕｉｎ
ＷＡＮＧｉｉＭｅ— ｎ，ｑ，ＷＡＮＧｈｎ —ｏＢｉ— ｕｎＨＵｉｇｌｎＺｏｇｈｕ，ＡＩａｇａｇ，ＪＢｎ —ｉｇ，ＷＥＩＲｕｙａ —ｉ
（． ’ｎＩｓｔｔｏｐｉｎｒｃｉ１ａｎｔｕｅｆＯｔｓｄＰｅｓｎＭｅｈｎｃＣｉｅＡｃｅｃｎｅＸｉａ１１９ｈｉａ；ｉｃａｉｏｃａｉｈｎｓａｍｙｏｉｃ， ’ｎ７０１，ＣｎｓｅｄｆＳｅ

双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计

ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｗｈｉｃｈｓｈａｒｅｄａｍａｉｎｏｐｔｉｃｓ．Ｔｈｉｓｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｃｏｎｓｉｓｔｓｏｆｔｈｅｍａｉｎｏｐｔｉｃｓ，ｓｌｉｔ，ｃｏｌｌｉｍａｔｏｒ，
第３５卷第７期２０１３年７月
红外技术
ＩｎｆｒａｒｅｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
Ｖ０ｌ１．３５ＮＯ．７Ｊｕｌｙ２０１３

双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计
姚波，袁立银，亓洪兴，舒嵘
ｍａｋｅｔｈｅｓｙｓｔｅｍｍｏｒｅｃｏｍｐａｃｔ．ＰｒｉｓｍＧｒａｔｉｎｇ－Ｐｒｉｓｍ（ＰＧＰ）ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓａｒｅｕｓｅｄｔｏａｃｈｉｅｖｅａｗｉｄｅ
（中国科学院上海技术物理研究所空间主动光电技术重点实验室上海２００８３）
摘要：提出了一种双通道共用一个主光学的推帚式高光谱成像仪光学系统，该系统由离轴三反射主光学系统、狭缝、准直镜及分色镜、可见近红外光谱仪后光学和短波红外光谱仪后光学组成，设计中采用双通道共用离轴三反射主光学系统，不仅满足了成像仪大视场、宽谱段的要求，而且提高了系统的光学效率，使系统结构更加紧凑，双通道光谱仪均采用棱镜一全息透射光栅一棱镜分光组件分光，实现了宽光谱分光，提高了衍射效率，系统实现光谱范围覆盖４５０￣２５００ｎｌｎ，全视场达２３．９ｏ。关键词：光学系统设计；双通道成像光谱仪；离轴三反射；棱镜．全息透射光栅一棱镜中图分类号：ＴＨ７４４．１文献标识码：Ａ文章编号：１００１ — ８８９１（２０１３）０７ — ０４１９．０６

一种大视场长焦距离轴三反式平行光管光学系统[发明专利]

专利名称：一种大视场长焦距离轴三反式平行光管光学系统专利类型：发明专利
发明人：沈阳,王虎,薛要克,解永杰,刘阳,林上民,刘杰,刘美莹申请号：CN202010476602.X
申请日：20200529
公开号：CN111596450A
公开日：
20200828
专利内容由知识产权出版社提供
摘要：本发明涉及光学装调检测领域，具体涉及一种大视场长焦距离轴三反式平行光管光学系统。

解决离轴反射式平行光管加工、装配困难，造价昂贵，且成像视场较小的问题。

沿光束传播方向依次包括靶标板、折轴镜、三镜、次镜与主镜；光束经过靶标板入射至折轴镜，经折轴镜反射后以离轴的方式入射至三镜，依次经过三镜、次镜、主镜的反射后达到光阑，以平行光出射；主镜和三镜均为凹二次曲面镜，次镜为球面反射镜。

本发明采用离轴三反式设计，实现了焦距1500mm、入瞳直径200mm、方视场1°×1°的系统参数，全视场出射波前RMS值优于λ/78@632.8nm。

申请人：中国科学院西安光学精密机械研究所
地址：710119 陕西省西安市高新区新型工业园信息大道17号
国籍：CN
代理机构：西安智邦专利商标代理有限公司
代理人：汪海艳
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成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计

成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计
李欢;周峰
【期刊名称】《航天返回与遥感》
【年(卷),期】2012(033)002
【摘要】视场宽、结构紧凑、质量轻是空间光学系统设计研究的热点。

文章从离轴三反望远系统的应用技术指标分析、设计思想、设计流程及光学系统优化4个方面,研究了成像光谱仪用宽视场、大相对孔径离轴三反消像散望远系统的设计问题,设计出一个光谱范围0.4～2.5μm、焦距f′=700mm、相对孔径f′/4、线视场角20°的离轴三反望远系统,次镜为球面,主镜和三镜非球面最高次数为4次,在Nyquist频率27.8对线/mm处,调制传递函数值均大于0.87。

【总页数】6页(P28-33)
【作者】李欢;周峰
【作者单位】北京空间机电研究所,北京100076;北京空间机电研究所,北京100076
【正文语种】中文
【中图分类】O439
【相关文献】
1.双通道成像光谱仪共用离轴三反射光学系统的设计 [J], 姚波;袁立银;亓洪兴;舒嵘
2.共轴偏光瞳宽视场折轴三反射光学系统设计 [J], 李旭阳;马臻;李英才
3.用于成像光谱仪的宽视场离轴三反望远镜设计 [J], 陈伟;薛闯
4.大视场大相对孔径斜轴离轴三反望远镜的光学设计 [J], 刘强;王欣;黄庚华;舒嵘
5.宽视场长焦距离轴三反射镜光学系统的设计 [J], 陈浩锋;李英才;樊超;易红伟因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

应用于大视场生物成像分析仪的离轴三反显微物镜设计

分析仪系统检出率为 98%。本文设计的离轴三反显微物镜成像质量良好，可满足应用需求。
关键词：大视场；离轴三反；高分辨；微生物检测
中图分类号：TH742.65
文献标志码：A
doi：10.37188/CO.2021-0020
Objective lens design with off-axis three-mirror system for large field of view biological imaging analyzer
Abstract: The large field of view bio-imaging analyzer can quickly and accurately detect rare cells and trace pathogenic microorganisms, playing an extremely important role in life sciences, food and drug testing, environmental safety, etc.. Based on the theory of coaxial three-mirror imaging, a large field of view biological imaging analyzer was designed by means of an coaxial three-dimensional objective lens as the core compon-
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基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计

基于传递矩阵的宽视场离轴三反光学系统设计摘要：关键词：传递矩阵，非球面透镜，棱镜，宽视场，畸变概述：宽视场离轴三反光学系统由于具有较大的视场角度和高质量的成像效果，在实际应用中被广泛运用于望远镜、航空摄影、光学测量等领域。

在实际应用中，该系统需要具有高质量的成像效果和较小的畸变，因此在设计过程中需要合理选择系统结构和参数，以及优化系统的光学设计。

系统结构和参数的选择：在确定系统结构和参数时，需要考虑到系统的使用环境和要求，并结合非球面透镜和棱镜的特性进行选择。

在本文设计的系统中，选择了三反射式结构，由于该结构具有简单、紧凑、易制造等特点。

系统中采用了高质量的非球面透镜和无色棱镜，以实现较高的成像质量和较小的畸变。

传递矩阵模型的建立：在建立传递矩阵模型时，需要根据系统结构和参数，将系统分成若干个子系统，并分别建立相应的传递矩阵模型。

为了考虑非球面透镜和棱镜的影响，需要采用复合矩阵法，将传递矩阵合成为总的传递矩阵。

为了避免误差积累，需要将系统分成若干个小段，并采用迭代法求解。

在确定系统参数时，需要考虑到系统成像质量和畸变的影响。

系统成像质量主要受到非球面透镜的影响，而畸变则主要受棱镜的影响。

在设计过程中，需要对非球面透镜的曲面形状和棱镜的角度进行优化。

在本文的设计中，采用了遗传算法来进行系统参数的优化，以得到最优的成像效果和畸变。

评价和分析：通过实际制作和测试，本文所设计的宽视场离轴三反光学系统成像质量较高，畸变较小，并达到了设计要求。

通过对系统的评价和分析，可以发现系统的成像效果主要受到非球面透镜的影响，而棱镜的影响并不明显。

在实际应用中，需要合理选择非球面透镜的曲面形状，以实现更好的成像效果。

结论：进一步分析：在实际应用中，宽视场离轴三反光学系统具有广泛的应用前景。

由于该系统可以有效解决传统光学系统中的畸变问题，并能够实现较大的视场角度和高质量的成像效果，因此在望远镜、航空摄影、光学测量等领域得到了广泛的应用，受到了科研人员和工程师的高度关注。

离轴三反成像光谱仪光学系统设计

ｄｅｓｉｇｎｅｒｃｏｕｌｄａｃｈｉｅｖｅｔｈｅｉｎｉｔｉａｌｃｏｎｓｔｒｕｃｉｔｏｎｐｒａａｍｅｔｅｒｓｏｆｔｈｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍ，ｉ．ｅ．ｔｈｅｒａｄｉｉａｎｄ
ｉｎｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓ
ＺｈａｎｇＴｉｎｇｃｈｅｎｇ，ＬｉａｏＺｈｉｂｏ
（ＢｅｉｊｉｎｇＳｐａｃｅＭｅｃｈａｎｉｃｓ＆ＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１００１９０，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅｈｉｇｈ— ｑｕａｌｉｉｅｆｄｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓｗｈｉｃｈａｒｅｕｓｅｄｉｎｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒｓｍｕｓｔｈａｖｅｓｏｍｅａｄｖａｎｔａｇｅｓ，ｓｕｃｈａｓｌｒｇａｅｌｉｎｅｒａＦＯＶ，ｌａｒｇｅｒｅｌａｔｉｖｅａｐｅｒｔｕｒｅ，ｗｉｄｅ－ｓｐｅｃｒａｔｌｉｍａｇｉｎｇ，ｌｉｇｈｔｗｅｉｇｈｔｅｄ，ｅｔｃ，ｗｈｉｃｈｍａｋｅｓｔｈｅｏｆ－ａｘｉｓａ１ｌｒｅｌｅｆｃｉｔｖｅｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍｓａｎｉｍｐｏｒｔｎｔａｒｅｓｅｒｃａｈｄｉｒｅｃｉｔｏｎｉｎｔｈｉｓｆｉｅｌｄ．Ａ

成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计

成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计成像光谱仪宽视场离轴三反望远系统的光学设计摘要：成像光谱仪是一种光学设备，通过对光波的分光和成像，能够对物体进行高精度的光谱测量，是现代高科技领域中不可或缺的重要设备之一。

本文就宽视场离轴三反望远系统的光学设计展开讨论，探讨如何通过构建光路，克服离轴场和色差的问题，实现高精度成像。

关键词：成像光谱仪；光学设计；离轴三反望远系统；宽视场；色差一、引言成像光谱仪是一种利用空间光学技术，将光波分光后进行成像的一种高科技仪器。

它具有精度高、分辨率好、稳定性强等特点，在化学、生化、医学等领域中得到广泛的应用。

本文将主要讨论宽视场离轴三反望远系统的光学设计，为读者提供一份系统的分析和设计方案。

二、光路设计在成像光谱仪中，光路设计是非常重要的一步。

通过光路的设计和构建，能够克服离轴色差等问题，实现高精度成像。

本文采用的是离轴三反望远系统，这种系统的主要优点是可以消除离轴像差，提高成像质量。

而且，在宽视场的情况下，也能够有比较好的成像效果。

离轴三反望远系统主要包括四个光学元件，分别是物镜、准直镜、弯晶镜、平行光板。

物镜起到了成像的重要作用，是整个光路中影响成像质量的关键元件。

准直镜和弯晶镜则能够控制离轴像差的大小，提高成像质量。

平行光板则是起到相干光传播的作用，使得光在系统中保持相干性，从而保证了成像的清晰度和稳定性。

为了提高宽视场的成像质量，本文采用了黎曼透镜的设计方式。

黎曼透镜具有宽视场、大孔径等优点，在成像光谱仪中应用广泛。

因此，将黎曼透镜的设计方式应用到离轴三反望远系统的光学设计中，可以显著提高成像质量。

三、色差控制色差是成像光谱仪中所面临的一大问题。

色差的存在，会导致成像的清晰度和精度下降。

因此，在系统的光学设计中，需要采用一些控制色差的方法，以保证成像的高精度和稳定。

一种解决色差的方法是采用同时具有正像差和负像差的镜头设计。

这种设计方式能够有效减弱色差的影响，提高成像的质量和精度。

一种新型离轴三反式光学系统的设计

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宽视场成像光谱仪前置远心离轴三反光学系统设计

2 理论研究
以共轴三反系统成像理论[ 13] 为基础, 选择一次成像结构对远心三反成像系统进行研究。
如图 1 所示, f 为共轴三反系统的焦距, 三个反射镜 M 1 、M 2 和 M 3 的顶点曲率半径分别为 R 1 、R2 和 R3 , 主镜 M1 与次镜 M 2 间隔为 d1 , 次镜 M 2 与三镜 M3 间隔为 d2, 三镜 M3 与像面的间隔为 d3 , 即图 1中的 l3 。
e23 1 ( 1+
1)4 -
2 1
(
1
+
1)( 1-
1)2 ,
( 9)
S II =
1 4
e22 ( 1 - 1 ) ( 1 + 1 ) 3 +
e23 (
2 1
-
2) ( 1+
1)3 -
5 1
+
2
4 1
+
3 1
-
3
2 1
-
1
,
( 10)
S III =
1 41
e22 ( 1 -
1)5 +
e23 (
2 1
0622004 1
开展了远心离轴三反系统的研究设计, 如: Jun ichi 等[ 11] 设计的远心离轴三反系统焦距为 700 mm 、F 数为 4、IF OV 为 6 , 主镜为双曲面镜、次镜为球面镜、三镜为扁椭球面镜; 李欢等[ 12] 设计的远心离轴三反系统焦距为 720 m m、F 数为 4、视场角为 10 , 主镜为 6 次非球面镜、次镜和三镜为椭球面镜。
Abstract I n order to meet the needs of the wide field of view ( FOV ) imaging spectrometer development, the problem about optical design of telecentric, wide FOV, large relative aperture, off axis three mirror system is studied, and the expressions of initial configuration parameters and the third order aberrations for flat field, telecentric, three mirror system are educed. With the specific requirements of 0. 4~ 2. 5 m spectral range, F number is 4, 720 mm focal length, 10 FOV, a flat field, telecentric, off axis three mirror imaging system is designed, in which the secondary mirror is convex spheric mirror, the primary mirror and the third mirror are concave conicoid and coplanar, and all the three mirrors are coaxial. The design result indicates that the imaging quality of the designed system approaches the diffraction limit at full FOV in the required wave band. Key words optical design; off axis three mirror system; telecentric; wide field of view; imaging spectrometer OCIS codes 220. 4830; 220. 3620; 120. 6200

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中图分类号：Ｈ７３Ｔ０文献标志码：Ａ文章编号：１０ — ２６２１）４０４ — ５０７２７（０２０ — ９２０
Ｄｅｉｎｏｄｅｆｅｄｏｉｗｆ－ｘｓｔｅ・ｉｒｒｓｓｅｓｇｆｗｉｌｆｖｅｏａｉｈｒｅｍｒｏｙｔｍｉ
薛庆生
（国科学院长春光学精密机械与物理研究所，中吉林长春１０３）３０３摘要：大视场、高分辨力星栽高光谱成像仪已成为空间遥感的迫切需求，求其望远系统在宽视场要内具有高空间分辨力。共轴三反系统的几何光学成像理论基础上，究了用于高光谱成像仪的大视在研场离轴三反消像散（ＭＡ望远系统的设计问题，制了初始结构计算程序，用视场离轴方式，计Ｔ）编采设
ｒｍｏｅｅｓｎｓｓｅ，ｏｉｈｈｔｌｓｏｅｙｔｍｒｑｉｅｈｇｓａａｒｓｌｔｏｉｗｉｅｉｅｄｆｅｔｓｎｉｇｙｔｍｆｗｈｃｔｅｅｅｃｐｓｓｅｅｕｒｓｉｈｐｔｌｅｏｕｎｎｉｉｄｆｌｏ
第４卷第４期ｌ
ＶＯ．ｏ．１４ｌＮ４
红外与激光工程
ＩｆａｅｎｓｒＥｇｎｅｉｇｎｒｒｄａｄＬａｅｎｉｅｒｎ
２１０２年４月
Ａｐｒ２２．０１
用于高光谱成像仪的大视场离轴三反系统设计
ａｅｔｒｉ１４，ａｄｔｅｆｅｄｏｉｗｗａ１．２。ｐｒｕｅｗａｓ：ｎｈｌｆｖｅｉｓ１４．Ｔｈｒｍａｙｎｉｒｒｗａｉｒｅｓｈｒｃｓｒａｅ，ｅｐｉｒｌｒｏｓｓｘｏｄｒａｐｅｉｕｆｃ
ｆｒｈｐｒｐｃｒｌｉａｅｏｙｅｓｅｔａｍｇｒ
ＸｕｎｓｅｇｅＱｉｇｈｎ
（ｈｎｃｕｎｔｕｅｏｔｓｉｅＭｅｈｎｃｎｈｓｓＣｉｅｅＡａｅｆＳｉｎｅ，ｈｇｈｎ１０３，ｈｎ）ＣａｇｈｎＩｓｉｔｆＯｐｉ，ＦｎｃａｉｓａｄＰｙｉ，ｈｎｓｃｄｍｙｏｃｃｓＣａｃｕ３０３Ｃｉａｔｃｃｅｎ
轴三反系统的焦平面附近加一个刀口反射镜实现视场分离。在奈奎斯特空间频率２ｌ／ｍ处，制８ｐｍ调
传递函数大于０７，像质量接近衍射极限。．５成
关键词：光学设计；高光谱成像仪；望远系统；离轴三反消像散；视场分离
ｐｏｌｍｏｗｉｅｆｌｏｖｅｒｂｅｆｄ — ｅｄｆｉｗ，ｏｆａｉｈｅ－ｒｒｎｓｇｔ（ＭＡ）ｔｌｓｏｅｙｔｍｓｆｉｆ－ｘｓｒｅｍｉｏａａｔｍａｃＴｔｒｉｉｅｅｃｐｓｓｅｏ
ｈｐｒｐｃｒｌｉａｅｅｅｔｄｅｙｅｓｅｔａｍｇｒｗｒｓｕｉｄ．Ｂｙｍｅｎｆｆｅｄｏｉｗｆ－ｘｓｎｏ — ｘｓｔｅ－ｒｏｅｅｃｐａｓｏｌｆｖｅｏａｉ，ａｆａｉｈｅｍｉｒｒｔｌｓｏｅｉｒｓｔｍａｅｉｎｄ．Ｔｈｅｓｅｔａａｇａ４—２．ｍ，ａｄｔｅｆｃｌｌｎｔａ６ｉｈｅｒｌｔｅｙｓｅｗｓｄｓｇｅｐｃｒｌｒｎｅｗｓ０．５ｔｘｎｏａｅｇｗｓ３０ｍｎ，ｔｅａｉｈｈｖ
了一个波段范围０４２５．～．ｍ、焦距３０６ｍｍ、对孔径ｌ、相：线视场ｌ．。离轴三反望远系统，主镜４１２的４其
为６次非球面，次镜和三镜为二次曲面，考虑到市售探测器的限制，出了视场分离ｅａｇｅａｄｈｇｅｏｕｉｎｓａｅｍｅｈｐｒｐｃｒｌｉａｅｒｒｅｔｙｒｑｋｅｎｐｃｓｒｃ：ｄｎｌｎｉｈｒｓｌｔｐｃｂｏｙｅｓｅｔａｍｇｒａｅｕｇｎｅｕｄｉｓａｅｏｌ
ｖｅ．Ｂａｅｏｔｅｔｅｒａｏｔｅｍｅｒｏｔｃｏｃｍｍｏａｉｔｒｅｍｉｒｒｙｔｍｓｔｅｄｓｇｉｗｓｄｎｈｈｏｙｂｕｇｏｔｙｐｉｓｆｏｎ－ｘｓｈｅ－ｒｏｓｓｅ，ｈｅｉｎ
ａｄｔｅｓｃｎｒｏｄｔｉｒｏｒｕｄａｉｕｆｃ．Ｃｏｓｅｉｇｔｅｒｓｉｔｎｏｅｅｔｒ，ａｎｅｏｄｍｉｒａｈｒｍｉｒｗｅｅｑａｒｔｓｒａｅｈｒｎｄｒｃｎｉｒｅｔｃｏｆｄｔｃｏｓｄｎｈｒｉ