基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计

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Offner型高光谱成像系统的设计

增加了系统的重量和体积 [4]。采用 O ffn e r同心中继
成像结构能有效地简化系统，降低系统的体积和重 ± ± ，提高实用性，尤其适用于对载荷要求较高的无人
机载探测领域。目前，O f f n e r 高光谱成像系统多采
(1. School o f Electronic and Optical E ngineering， N anjing University o f Science and Technology， N anjing 210094, Chinas 2, X i 7an Institute o f A p p lied O ptics, X i?an 710065, China)
O f f n e r 高光谱成像系统，本文根据几何光学成像理
论，建立了曲面棱镜色散分辨率与棱镜结构之间的
数学关系，用以计算系统的初始结构，并设计用于可见光谱段的色散成像光谱系统 ;采用了冕牌玻璃和火石玻璃组合的曲面棱镜，减小了光谱分辨率的非线性，并增加了系统优化的自由度，能够有效地提高成像质量。
Abstract ：The relationship between the spectral resolution and structure parameters of the curved prism is investigated based on the analysis of the curved prism. Then, the method is proposed to calculate the initial system structure. An imaging spectrometer is designed in visible light. The non-uniform spectral resolution is reduced by using two different materials. The designed system is optimized by Zemax. The average spectral resolution from 400-800 nm is less than 5 nm, and keystone and smile of the system are less than 0. 085 pixel and 0. 092 pixels, respectively. Keywords* spectroscopy； dispersion imaging spectrometer； curved prism； optical design

成像光谱仪同心光学系统的研究

成像光谱仪同心光学系统的研究撖芃芃【摘要】介绍了Offner凸面光栅成像光谱仪和Dyaon凹面光栅成像光谱仪两种常用的同心光学系统.Offner凸面光栅成像光谱仪采用全反射的形式,使用光谱范围很宽,加工、装调较为简单,受外界环境影响较小;Dyson凹面光栅成像光谱仪在体积和尺寸上的优势较为明显,易于实现整体结构的小型化.给出了这两种成像光谱仪的具体设计实例,两种光学系统的成像质量均能达到较为理想的结果,其结构畸变均<0.005%,在使用光谱范围内,光谱分辨率均能到达3 nm,具有高质量的光学传递函数.最后,给出了配合成像光谱仪使用的多种前置光学系统的结构形式,并讨论了消除系统杂散光的方法及消除光谱级次重叠的方法.【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2009(002)002【总页数】6页(P157-162)【关键词】成像光谱仪;同心光学系统;凸面光栅;凹面光栅【作者】撖芃芃【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039【正文语种】中文【中图分类】TH744.1多光谱和超光谱成像技术是新一代光电探测技术，兴起于20世纪80年代，至今仍在迅速发展之中。

由于其特有的成像和光谱探测的优点，已经广泛应用于国民经济及国防建设的各个领域。

该项技术的核心部件是成像光谱仪［1］。

目前，世界各国已经研发了十几台航空用成像光谱仪，比较著名的有AVRIS［2］、CASI ［3］、AIS［4］、HYDICE［5］、OCEAN-PHILIS［6］等。

高分辨率成像光谱仪的光学系统一般由前置望远光学系统和后端光谱仪光学系统组成，在其分光光谱的成像焦平面上用面阵CCD采集数据，飞行器飞行沿轨迹方向推扫。

为了满足飞行载荷的要求，需要对成像光谱仪的体积和重量及具体的结构形式进行综合评估，并选择适合工作条件和要求的光谱仪系统结构形式。

针对上述需求，本文介绍了成像光谱仪光学系统的主要形式，给出了Dyson光学系统和Offner光学系统的设计实例，这两种成像光谱仪满足了小型化和轻量化的要求，可用于空间、临近空间及地面的多光谱超光谱成像系统中。

offner成像光谱仪的设计方法

offner成像光谱仪的设计方法英文回答：Designing an Offner imaging spectrometer involves several key steps and considerations. The Offner configuration is a popular choice for its compactness and ability to provide high spectral resolution. Here is a step-by-step guide to designing an Offner imaging spectrometer:1. Determine the spectral range and resolution requirements: The first step is to define the desired spectral range and resolution for the spectrometer. This will depend on the specific application and the types of samples or phenomena that need to be analyzed.2. Select the correct optics: The Offner configuration consists of two concave mirrors and a convex grating. The choice of optics is crucial to achieve the desired performance. The mirrors should have a high reflectivityand low scattering, while the grating should have a high diffraction efficiency and low stray light.3. Calculate the design parameters: The design parameters of the Offner spectrometer include the focal lengths of the mirrors, the radius of curvature of the grating, and the distance between the mirrors. These parameters need to be carefully calculated to ensure proper imaging and dispersion.4. Consider aberrations: Offner spectrometers are prone to various aberrations, such as astigmatism and coma. These aberrations can degrade the spectral and spatial resolution. It is important to analyze and minimize these aberrations through careful design and optimization.5. Optimize the system: Once the initial design is complete, it is necessary to optimize the system for better performance. This can involve adjusting the mirror curvatures, grating position, or other parameters toachieve the desired spectral resolution and image quality.6. Test and calibrate: After the design and optimization, the Offner spectrometer needs to be tested and calibrated. This involves measuring the spectral and spatial resolution, as well as characterizing any remaining aberrations or distortions. Calibration methods, such as using known spectral sources or calibration standards, can help ensure accurate measurements.7. Consider practical constraints: Finally, it is important to consider practical constraints in the design, such as size, weight, and cost. Offner spectrometers can be quite compact, but trade-offs may need to be made to meet specific requirements.中文回答：设计Offner成像光谱仪涉及到几个关键步骤和考虑因素。

小型Offner光谱成像系统的设计

小型Offner光谱成像系统的设计
郑玉权
【期刊名称】《光学精密工程》
【年(卷),期】2005(013)006
【摘要】研究了在发散光束中使用色散元件的小型Offner光谱成像系统,分析了Offner凸光栅光谱成像系统和Offner曲面棱镜光谱成像系统的优缺点,与传统准直光束中使用光栅或棱镜的方法相比,Offner光谱成像系统具有体积小、质量轻、无谱线弯曲、色畸变小的特点.给出了两种系统的设计结果,并研究了滤除二级和高级次光谱的方法,给出了与Offner光谱成像系统匹配的不同形式的像方远心前置光学系统,可满足微小卫星超光谱成像仪的要求.
【总页数】8页(P650-657)
【作者】郑玉权
【作者单位】中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,吉林,长春,130033
【正文语种】中文
【中图分类】TH744.1;TP73
【相关文献】
1.插入Féry棱镜的小型Offner超光谱成像系统的设计 [J], 程欣;洪永丰;张葆;薛庆生
2.小型Offner色散型高光谱成像系统设计 [J], 李霂;周学鹏
3.小型Offner凸光栅光谱成像系统的结构设计及分析 [J], 刘伟
4.Offner型高光谱成像系统的设计 [J], 柏财勋;刘勤;孟鑫;于帅;李建欣;朱日宏
5.Offner型高光谱成像系统的设计 [J], 柏财勋;刘勤;孟鑫;于帅;李建欣;朱日宏;因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

Offner凸面光栅超光谱成像仪的设计与研制

Ａｂｔａｔｓｒｃ：Ｔｒｄｔｎｌｈｐｒｓｃｒｌｉｇｒｗｉｌｎｒｃｎａｅｇａｉｇｉｉｔｄｂｈｂｒａｉｎａｉｏａｙｅ —ｐｅｔａｍａｅｔｐａｅｏｏｃｖｒｔｎｓｌｉｈｍｉｅｙｔｅａｅｒｔｏ
ｃｒｅｔｏａｉｔ，ｔｅｎｍｅｉａｐｒｕｅｉｍａｌａｄｔｅｐｗｅｏｌｃｏｉｏｏｒｃｉｎｂｌｙｈｕｒｃｌａｅｔｒｓｓｌｎｏｒｃｌｔｎｓｌｗ．Ｉｓｄｆｃｌｆｒｔｅｉｈｅｉｔｉｉｕｔｏｍｉｈ
ｈｙｒｓｃｒｌｉａｅｐｅ－ｐｅｔａｍｇｒ
Ｊｉｑｕ．ＳＩＹ－ｎＨＥＮｅ — ｉＷｉｍｎ
（ｓｔｔｏｄｍｔａｅｈｏｏｙｏｏｃｏｉｅｓｙｕｈｕ２５０，ｉａＩｔｕｅｆＭｏｅＯｐｉｌＴｃｎｌｇｆＳｏｈｗＵｎｖｒｉ，Ｓｚｏ１０６Ｃｈｎ）ｎｉｃｔ
凸面光栅超光谱成像仪结构紧凑、差校正能力强、值孔径大、光本领高，同时获得高的光谱像数集可
和空间分辨率。关键词：超光谱成像；Ｏｆｅ；凸面光栅：全息记录ｆｒｎ
季轶群，为民沈（州大学现代光学技术研究所，苏苏州２５０）苏江１０６
摘要：传统的平面或凹面光栅分光的光谱成像仪受像差校正的限制，值孔径较小，量利数能

一种凸面光栅Offner结构成像光谱仪的设计方法

维普资讯
第２９卷
第６期
仪器
仪表学报
Ｖ０＿９Ｎｏ６Ｉ２．
２０年６月０８
ＣｉｅｅＪｕｌｏｃｅｔｉＩｓｒｍｅｔｈｎｓｏｍａｆＳｉｎｉｃｎｔｆｕｎ
场。采用低空问频率的凸面光栅（７１７线／毫米）它仍是一个具有高光谱分辨率（．ｍ），２１ｎ的系统。提出了一种新的设计方法，运用一个简单的方程可以设计出系统中具有最小畸变的环视场；一个非光学专业的设计者可以达到理想的设计目的。这种成像光谱仪结构非常简单，容易实现小型化和轻型化。实验的结果与理论分析相一致。很关键词：成像光谱仪；凸面光栅；Ｏｎｒｆｅ结构；同心光学系统；波像差
ｓｍｐｅｅｕｔｏｒｄｓｇｉｇｔｉｙｔｍｔｅｓｓｏｔｏｎｔｅａｎｌｒｆｅｄｉｒｐｏｅｉｌｑａｉｎｆｅｉｎｈｓｓｓｅｗｉｈｌａｔｄｉｔｒｉｎｉｈｎｕａｌｓｐｏｓｄ．Ｔｉｎｆｓｃｒｍｅｏｎｉｈｓｋｉｄｏｐｅｔｏ — ｔｒｉｅｙｓｍｐｌｄｅｓｏｂｎａｕｚｄａｄｌｇｔｎｄ．Ｅｘｅｍｅｔｒｓｌｓａｅｉｏｄａｅｍｅｔｗｉｈｔｅｔｅｒｔｅｓｖｒｉｅａａｙｔｅｍｉｉｔｒｅｎｉｈｅｅｎｉｐｒｎｅｕｔｒｎｇｏｇｅｎｔｈｈｏｅ－ｉｒｉａａｙｉ．ｃａｌｓｓｌｎＫｅｙｗｏｒｓ：ｉｇｎｐｃｒｍｅｅ；ｃｎｅａｉｇ；Ｏｆｎｒｓｓｅ；ｃｎｅｔｃｏｔｃｙｔｍ；ｗａｅａｅａｉｎｄｍａｉｇｓｅｔｏｔｒｏｖｘｇｔｒｎｆｅｙｔｍｏｃｎｒｐｉａｓｓｅｉｌｖｂｒｔｏ

小型Offner色散型高光谱成像系统设计

小型Offner色散型高光谱成像系统设计李霂;周学鹏【摘要】针对传统型色散成像光谱仪较复杂的准直物镜结构,讨论了轻量小型化的可能,研究了曲面棱镜的色散和像差特性,曲面棱镜-Offner系统色散型光谱仪的的设计原则,得出了初始结构的设计方法,并设计了可见光/近红外光谱段的高光谱成像系统,其中2块曲面棱镜材料都为H-F2,用来提高光谱分辨率和成像质量,并用Zemax光学设计软件进行了系统优化,在400～800nm的谱段内,光谱分辨率小于4nm,全光谱范围内,色畸变小于0.082个像元,谱线弯曲小于0.068个像元.【期刊名称】《长春理工大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2018(041)004【总页数】5页(P77-81)【关键词】曲面棱镜;Offner系统;色散型成像系统;光学设计【作者】李霂;周学鹏【作者单位】长春理工大学光电工程学院,长春 130022;长春理工大学光电工程学院,长春 130022【正文语种】中文【中图分类】O433高光谱成像技术是基于多光谱成像技术发展而来，从70年代末的多光谱成像发展到80年代的高光谱成像技术，在对地观测技术上有着重大突破。

它是一门包含探测、精密光学、信号检测、计算机图像处理等多学科的综合性技术，既可以对目标成像，也可以获取目标的光谱特性[1]。

目前国外已有成熟的几十套高光谱成像仪，比较著名的有80年代的ARIVIS[2]系统，HYDICE[3]系统AOTF[4]系统等，成像光谱仪可获得高光谱分辨率和高空间分辨率，在气象预测、农林检测、土壤分析、环境检测、疾病检测、军事侦测中发挥着重要作用；在生物工程制药、细胞检测方面应用前景广阔；在航空、航天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有广泛的应用[5]。

相对于国际上高光谱成像技术的发展，我国起步较晚，随着近年来科技水平的提高，我国开发研制出多种应用于气象预测、资源勘察、机载/星载光谱仪。

比较著名的如：获国家“十一五”重大科技成就的中国科学院上海技术物理研究所的UIRS-1超光谱分辨率红外光谱仪，还有在“天宫一号”上的航天高分辨率高光谱成像仪，我国2008年发射的首个带有高光谱成像仪的卫星HJ-1A[6]。

一种Offner型小型短波红外成像光谱仪

动态成像实验表明，光谱图像清晰并光谱数据质量佳。
１分光系统设计
一
Ｈ，氨基Ｎ — Ｈ等，它们的合频和一级倍频位于该光谱区间，
短波红外区域成为目前热门研究和探测谱段３］。近年来由于无人机技术、野外现场调查和实验室快速分析测量的需求，
摘
要
通过对Ｏｆｆｎｅｒ分光光学系统分析，给出了快速计算初始结构参数公式，根据算得的初始结构参数
优化出一套适用于短波红外（１０００￣２５００ｉｒｍ）的分光光学系统，设计的光学系统相对孔径大（Ｆ／＃２．２）、光
系统。分光系统配置前置镜头和短波红外相机系统组成一套完整的短波红外成像光谱仪，如图１所示。
根据应用需求，短波红外成像光项“ 成像光谱仪的研制与开发”
针对国际高光谱仪器发展方向，旨在打破国外垄断，突破相
文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．１０００ — ０５９３（２０１７｝０７ — ２２６７ — ０６
中图分类号：０４３３
基于凸面光栅分光为核心的成像光谱仪器，其原理新颖，相
Ｊｕｌｙ，２０１７
一
种Ｏｆｆｎｅｒ型小型短波红外成像光谱仪
郑志忠。，杨忠，修连存，董金鑫，陈春霞，高扬，俞正奎
ｌ＿南京航空航天大学，江苏南京２．南京地质调查中心，江苏南京２１００１６２１００１６

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基于Ｏｆｆｎｅｒ结构分视场成像光谱仪光学设计
吴从均，颜昌翔ｈ，刘伟，代虎
１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学一部，吉林长春
２．中国科学院大学，北京１０００４９
１３００３３
摘要为满足航天应用中仪器小型和轻量化、大视场的观测要求，通过分析现有Ｏｆｎｅｒ成像光谱仪，给出了一种简单的采用凸面光栅设计成像光谱仪的方法。并据此方法设计了一应用于４００ｋｍ高度，波段范围为０．４～１ｍ，焦距为７２０Ｆｌｉｔｒ１，Ｆ数为５，全视场大小为４．３。的分视场成像光谱仪系统。分视场采用光纤将
件，各自存在一定的缺点。傅里叶变换光谱仪虽然是一种比
Ｆ６ｒｙ棱镜作为分光元件设计了光谱范围在０．４～２．５ｆｍ的成像光谱仪。一些相关文献中还对Ｏｆｎｅｒ成像光谱仪的机械结构设计＿９］、图像数据压缩、装调方法＿１０ ¨ 和杂散光＿】］的分
Ｏｆｆｎｅｒ光栅成像光谱仪在２ｏ世纪９Ｏ年代初就已经被提
出了，随着光栅制造水平的提高，其结构简单、利于小型化的突出优势逐渐被放大，已经在应用中崭露头角［４］。文献
［５，６］分别从如何消除像散等离轴像差上分析了Ｏｆｆｎｅｒ成像
望远系统的细长像面连接到光谱仪的三个不同狭缝而实现。三狭缝光谱面共用一个像元数为ｌ０２４ ×１０２４，像元大小１８ｍｘ１８ｍ的ＣＣＤ探测器。通过ＺＥＭＡＸ软件优化和公差分析后，系统在２８ｌｐ・ｍｍ＿１处ＭＴＦ优于０．６２，光谱分辨率优于５ｎｍ，地面分辨率小于１０ｍ，能很好的满足大视场应用要求，该光学系统刈幅宽度相当于国内已研制成功的同类最好仪器的三倍。
分析，过程极为繁琐。下面从同轴结构出发进行分析，可以
很快得到这种初始结构。
１．１确定凸面光栅的曲率半径
光谱仪的设计方法，文献［７］给出了在汇聚光路中和在发散光路中分别采用光栅和曲面棱镜设计成像光谱仪的光学系统
收稿日期：２０１２ — １１ — ２１。修订日期：２０１３ — ０２ — １６基金项目：国家（８６３计划）项目（２Ｏ１１ＡＡ１２ＡｌＯ３）资助
作者简介：吴从均，１９８６年生，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生
并比较了两者的优缺点，程欣等ｌ８采用在汇聚光路中加入
引言
星载超光谱成像仪按地面像元分辨率分为中分辨率和高分辨率，中分辨率超光谱成像仪地面分辨率为数百米至数千米量级，高分辨率超光谱成像仪为数十米量级 ¨ 】］。目前制约星载成像光谱仪发展的主要是探测器和分光方式，国内星载设备探测器一般都通过国外购买，价格昂贵，而且购买的渠道越来越窄；分光方式上，光栅和棱镜作为传统的分光元
第３３卷，第８ｇｇ
２０１３年８月
光谱
学
与
光
谱
分
析
ＳｐｅｃｔｒｏｓｃｏｐｙａｎｄＳｐｅｃｔｒａｌＡｎａｌｙｓｉｓ
Ｖｏ１．３３，Ｎｏ．８，ｐｐ２２７２ — ２２７６Ａｕｇｕｓｔ，２０１３
关键词Ｏｆｆｎｅｒ；成像光谱仪；分视场；光学设计
文献标识码：ＡＤＯＩ：１０．３９６４／ｊ．ｉｓｓｎ．ｉ０００ — ０５９３（２０１３｝０８ — ２２７２ — ０５
中图分类号：０４３３
场分离的结果置很多台，而且体积大。本方法大大减小了仪
较理想的成像光谱仪形式，但环境要求非常高，往往信噪比
并不是很高；基于ＡＯＴＦ、ＬＣＴＦ、波带片等二元光学元件和
折衍射系统组合的分光在星载应用中相对还不成熟ｌ２ｌ３］。传统光谱仪系统包括准直和成像系统，一些独特结构的光谱仪系统采用汇聚光路，这种方法在很大程度上都采用了准直和
成像对称形式，Ｏｆｆｎｅｒ结构就是一种对称严格的结构形式仪的设计方法
对于Ｏｆｆｎｅｒ结构的数值分析设计在文献［５，６］中给出了详细的设计过程，而且这些结构都是通过离轴形式对其进行
析研究。
分视场成像光谱仪（ｓｕｂ－ｆｉｅｌｄｉｍａｇｉｎｇｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ，ＳＦＩＳ）能有效增大地面）（副宽度，利用视场分割思想，将望远镜宽线视场分割、折叠成窄线视场阵列，通过一个光谱仪进行分光，充分发挥面阵探测器的优势，各窄线视场的光谱图像数据按序首尾相连，便得到了宽线视场情况下的高分辨率超光谱成像数据。早期的宽视场大部分采用视场分离器分别进入不同光谱仪系统［１，这种情况下光谱仪必须根据视