一種基於單個自由曲面的成像光譜儀分光系統的製作方法

2023-05-18 18:15:51 2

一種基於單個自由曲面的成像光譜儀分光系統的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於單個自由曲面的成像光譜儀分光系統，系統由入射狹縫，自由曲面反射鏡，平面閃耀光柵以及像面組成。本發明的特點在於兩次使用一個非旋轉對稱的自由曲面反射鏡分別充當準直鏡和成像鏡，配以高性能且加工工藝成熟的平面閃耀光柵，實現結構簡單、緊湊，小像差、低畸變、高效率的光譜儀分光系統。本發明基於單個自由曲面的成像光譜儀分光系統的實施例在400-1000nm的可見近紅外譜段實現了較好的光譜成像，在保證系統簡單、緊湊的前提下，較好地校正了球差、彗差、像散、光譜畸變和譜線彎曲等。本發明可以應用於航天、航空的高光譜成像領域。
【專利說明】一種基於單個自由曲面的成像光譜儀分光系統

【技術領域】
[0001] 本發明屬於成像光譜儀設計領域，具體涉及一種新型的基於單個自由曲面和平面 閃耀光柵的成像光譜儀分光系統的光學設計，本發明的實施例譜段在可見近紅外，它也適 用於短波紅外以及熱紅外等其他譜段的光譜成像系統分光組件的設計。

【背景技術】
[0002] 成像光譜儀是成像技術和光譜技術的有機結合，它能同時獲取目標的二維空間 信息和一維光譜信息，形成數據立方，被廣泛地用於社會生產、軍事活動、宇宙和天文探測 以及航空航天遙感等諸多領域。其光學系統一般由前置望遠鏡系統和光譜分光系統組成， 而分光系統決定著成像光譜儀的基本性能，是革新常規光譜儀的關鍵，因為分光系統直接 影響著整個成像光譜儀的性能、結構的複雜程度、重量和體積。在眾多的分光方式中，光 柵衍射分光因為其結構無動部件、技術成熟、性能高、線性好、具有寬的光譜範圍和高的分 辨率而成為了現行成像光譜儀主流的分光手段。國際上廣泛應用的光柵分光系統的主 要形式有：採用凸面光柵的OfTner結構、採用凹面光柵的Dyson結構、採用平面光柵的 Czerny-Turner結構等，還有一些採用光柵和稜鏡組合的分光結構。
[0003] OfTner結構為全反射式，不受波段限制，其分光組件為凸面光柵，結構簡單緊湊； Dyson結構採用透射式，可以實現較大的相對孔徑和小的體積，其分光組件為凹面光柵。相 對平面光柵而言，這兩種光柵發展使用較晚，其加工、檢測等技術相對不成熟、製造難、成 本高、設計局限性大。
[0004] 平面光柵作為一種加工製作工藝成熟、成本較低、獲取渠道相對暢通的分光組件， 是現在最為普遍應用的分光組件。但是相對於凸面光柵和凹面光柵而言，採用平面光柵分 光的Czerny-Turner結構受像差校正的限制，難以實現大的相對孔徑，並且隨著狹縫變長 所導致的色畸變和譜線彎曲也增長劇烈，存在像差校正能力較差、解析度較低的問題。為 了彌補這些缺陷和校正各種像差，基於平面光柵的Czerny-Turner結構經常用於小像差大 F數的光譜成像系統，並且為了增加平衡像差的自由度，各元件往往都存在不同程度的旋轉 和偏心，對設計、裝調的要求較高，研製周期較長。
[0005] 另外，其它基於平面光柵的光譜儀分光系統則一般通過增加元部件的方式來增加 平衡系統的自由度，系統較為複雜，需要引入多組透鏡或者稜鏡，每一個稜鏡或者透鏡的微 小傾斜和偏心都會給系統的圖像質量帶來嚴重的影響，必然導致整個系統的裝調和測試困 難，研製周期長和研製成本高等。此外光線要經過多次折射和反射才能達到探測器，每次折 射和反射都帶來光能的損失，必然會導致系統光能利用率低。
[0006] 針對以上的問題，專利201410120502. 8提出了一種基於自由曲面的光譜儀分光 系統，分別利用一個自由曲面充當準直鏡和成像鏡，實現基於兩個自由曲面的平面光柵光 譜儀分光系統的設計。


【發明內容】

[0007] 綜以上所述，本發明的主要目的是在專利201410120502.8的基礎上，以兩次利用 同一個自由曲面反射鏡分別充當準直鏡和成像鏡的形式代替原有的兩個自由曲面反射鏡， 在不影響系統性能的前提下，減少系統的元件數量，簡化系統的結構，降低系統的成本。該 系統在元件數量更少、結構更簡單、緊湊，裝調更容易的同時能實現小像差、低畸變和高效 率。
[0008] 本發明的系統為全反射式，僅僅利用視場的離軸來達到避免遮攔的目的，各光學 元件之間不存在相對的角度旋轉。系統利用一個自由曲面反射鏡代替傳統平面光柵分光系 統中由多組透鏡組成的準直鏡和成像鏡，通過兩次使用自由曲面反射鏡，分別實現準直和 成像，並且基於自由曲面光學元件大的自由度和非旋轉對稱性，能很好地校正多種離軸像 差和非旋轉對稱像差等優點，以達到提高光譜儀分光系統成像質量、簡化系統的設計，降低 系統的裝調難度，減小光譜儀器的體積、自重的目的。
[0009] 本發明的分光系統結構如附圖1所示，它包括入射狹縫1、自由曲面反射鏡2、平面 閃耀光柵3以及像面4。入射狹縫1位於前望遠鏡的焦面上，是前望遠鏡無窮遠目標的像； 自由曲面反射鏡2兩次使用，分別充當準直鏡和成像鏡；光柵3是平面閃耀光柵，是系統的 孔徑光闌，自由曲面反射鏡2和平面閃耀光柵3二者共軸，並且不存在任何的相對角度旋 轉。從入射狹縫1發出的光經自由曲面反射鏡2反射至平面閃耀光柵3,經平面閃耀光柵3 衍射分光後的光被重新反射至自由曲面反射鏡2,最後由自由曲面反射鏡2反射成像至安 放有探測器的像面4上。
[0010] 自由曲面反射鏡2為非旋轉對稱的自由曲面，其表達式為公式（1)所示，其中：c 為中心點的曲率，k為二次係數，C1-C27為各項係數，（X，y, z)為自由曲面上各點的坐標。

【權利要求】
1. 一種基於單個自由曲面的成像光譜儀分光系統，它包括入射狹縫（1)、自由曲面反 射鏡（2)、平面閃耀光柵（3)和像面（4)，其特徵在於：從入射狹縫（1)出射的光經自由曲面 反射鏡（2)準直反射至平面閃耀光柵（3)，經平面閃耀光柵（3)衍射分光後被重新反射至自 由曲面反射鏡（2)，最後經自由曲面反射鏡（2)反射至像面（4)的上實現光譜成像。
2. 根據權利要求1所述的一種基於單個自由曲面的成像光譜儀分光系統，其特徵在 於：所述的自由曲面反射鏡（2)為非旋轉對稱的自由曲面反射鏡。
【文檔編號】G01J3/02GK104406691SQ201410258825
【公開日】2015年3月11日 申請日期:2014年6月12日 優先權日:2014年6月12日
【發明者】侯佳, 何志平, 袁立銀, 況耀武, 舒嶸, 張小衛, 陳爽 申請人:中國科學院上海技術物理研究所