專利名稱：：一種棱鏡分光成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
：-本發(fā)明涉及光學(xué)元件和光學(xué)系統(tǒng)，具體是指空間遙感短波紅外大視場高分辨率超光譜成像儀系統(tǒng)里使用的一種短波紅外光譜儀，它用于實(shí)現(xiàn)在1.43度視場下，對l)imi2.5pm(即短波紅外波段)色散后的64個(gè)波段分譜段成像。技術(shù)背景高分辨率超光譜成像儀能夠同時(shí)獲取觀測目標(biāo)的空間幾何信息和光譜信息，具有獨(dú)特的信息獲取和特征識別能力。超光譜成像儀作為一種重要的對地觀測手段，在國民經(jīng)濟(jì)、科學(xué)研究諸多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，高分辨率的超光譜成像儀還具備戰(zhàn)略戰(zhàn)術(shù)偵察能力。目前使用較多的棱鏡色散成像光譜儀結(jié)構(gòu)詳見圖1，這種結(jié)構(gòu)通常由兩個(gè)離軸非球面反射鏡、兩個(gè)色散棱鏡膠合后組成。膠合棱鏡透光區(qū)內(nèi)的膠合氣泡、不可分離雜質(zhì)和灰塵直接影響著光譜儀的成像質(zhì)量，另外其體積和重量增大，對溫度敏感性也隨之升高。本發(fā)明采用了一個(gè)離軸球面校正透鏡優(yōu)化結(jié)構(gòu)，利用一個(gè)色散棱鏡達(dá)到系統(tǒng)性能指標(biāo)。
發(fā)明內(nèi)容目的本發(fā)明的目的是設(shè)計(jì)一個(gè)短波紅外離軸反射式棱鏡色散光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，采用了一個(gè)離軸球面校正透鏡和一個(gè)色散棱鏡，解決了雙膠合棱鏡由于膠合缺陷帶來的影響。本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)光路圖詳見圖2?；驹硎峭ㄟ^望遠(yuǎn)鏡獲得的信息通過光譜儀色散成眾多的地面光譜線成像在二維探測器上，得到數(shù)字化輸出圖像。成像光路描述和組成地面輻射入射到望遠(yuǎn)鏡，獲得地面景物圖像，通過入射狹縫成為限定的條式視場入射到光譜儀，用面陣探測器接收入射狹縫的被色散的光譜圖像。探測器陣列的行輸出空間信息，而列輸出光譜信息。光譜儀由兩個(gè)離軸非球面反射鏡、一個(gè)色散棱鏡和一個(gè)校正透鏡組成。其中準(zhǔn)直離軸反射鏡2和成像離軸反射鏡4分別為二次雙曲面、橢球面，它們的焦距分配需要充分考慮總系統(tǒng)的焦距要求，并分別將光束準(zhǔn)直和會聚；色散棱鏡兩個(gè)面的角度設(shè)計(jì)既要滿足系統(tǒng)的光譜分辨率要求，又要滿足系統(tǒng)的光譜彎曲和光譜非線性要求，相對其它分光方式優(yōu)點(diǎn)是分光的光學(xué)效率高；校正透鏡的設(shè)計(jì)用來校正軸外大線視場光束的像差，減小光譜彎曲。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)(1)這種光譜儀設(shè)計(jì)的變焦比為0.8，增大了望遠(yuǎn)鏡的焦距，降低了望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)設(shè)計(jì)難度；變焦比有效放大了狹縫寬度，降低了光校難度。(2)光譜儀的色散后光學(xué)系統(tǒng)是根據(jù)遠(yuǎn)心離軸平像場消象散要求設(shè)計(jì)的。采用此光學(xué)系統(tǒng)可以獲得大視場經(jīng)過校正的圖像，圖像質(zhì)量更好。在光譜儀入射狹縫一側(cè)是遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，可以獨(dú)立光校，容易與望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行匹配。(3)在接近焦面處，采用一個(gè)離軸球面校正透鏡，通過調(diào)節(jié)離軸量，在一定的范圍內(nèi)調(diào)節(jié)光譜儀的畸變，避免了采用大口徑同心透鏡。球面反射鏡可校正場曲，同時(shí)也可校正狹縫彎曲。設(shè)計(jì)中控制反射鏡和透鏡的光焦度，減小產(chǎn)生的場曲，使圖像質(zhì)量在允許范圍內(nèi)。為了避免產(chǎn)生色差，采用了低折射率的透鏡材料。設(shè)計(jì)結(jié)果最大狹縫高所對應(yīng)的各波長的彎曲矢高接近為28.35um的常量。(4)色散后光學(xué)系統(tǒng)采用增大比例的物鏡，根據(jù)調(diào)節(jié)畸變校正狹縫彎曲原理來進(jìn)行設(shè)計(jì)。雖然用兩個(gè)反射鏡消象散的設(shè)計(jì)方案會產(chǎn)生畸變，但通過適當(dāng)?shù)卣{(diào)節(jié)望遠(yuǎn)鏡加光譜儀的畸變分布，在CCD像面上可得到直線圖像?？刂苹兊闹饕獏?shù)是離軸角和光譜儀的焦距(即準(zhǔn)直儀、成像器)。通過光譜儀畸變可部分地補(bǔ)償與波長相關(guān)的狹縫彎曲。在給定入射狹縫尺寸的情況下，在色散后光學(xué)系統(tǒng)中通過增加準(zhǔn)直儀或成像器的焦距，減少色散角和空間視場，使殘余像差達(dá)到足夠小。(5)光譜儀采用一個(gè)棱鏡分光修正了非線性色散，各個(gè)通道的光譜分辨率從18.6nm到28.5nm平均為23.36nm，色散寬度為1.9217mm，滿足了光譜分辨率和光譜寬度要求。在棱鏡背面鍍反射膜，光束直接從棱鏡發(fā)生反射，取消了利特羅反射鏡，簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量。采用非球面和透鏡，大大減少了光譜彎曲和光譜非線性。采用光學(xué)軟件編制宏函數(shù)，結(jié)合后期數(shù)據(jù)處理，方便計(jì)算光譜彎曲、光譜非線性等。(6)光學(xué)容差不敏感，降低了光學(xué)加工和光學(xué)裝調(diào)的難度。(7)系統(tǒng)的像面是平的，不需要加場透鏡，減少了光學(xué)零件數(shù)量，提高了光學(xué)效率。圖1為棱鏡色散成像光譜儀結(jié)構(gòu)圖。圖2為短波紅外光譜儀的光路結(jié)構(gòu)示意圖中l(wèi)為狹縫；2為準(zhǔn)直離軸反射鏡；3為色散棱鏡；4為成像離軸反射鏡；5為離軸球面校正透鏡；6為像面；dl為狹縫和準(zhǔn)直離軸反射鏡2間隔距離；d2為準(zhǔn)直離軸反射鏡2和成像離軸反射鏡4間隔距離；d3為準(zhǔn)直離軸反射鏡2與色散棱鏡3間隔距離；d4為成像離軸反射鏡4與離軸球面校正透鏡5間隔距離；d5為離軸球面校正透鏡5和像面6間隔距離；Rl為準(zhǔn)直離軸反射鏡2的頂點(diǎn)曲率半徑；R2為成像離軸反射鏡4的頂點(diǎn)曲率半徑；R3為離軸球面校正透鏡5的后表面曲率半徑；e卩為準(zhǔn)直離軸反射鏡2的二次偏心率平方；e為成像離軸反射鏡4的二次偏心率平方。具體實(shí)施例方式根據(jù)圖1的光學(xué)結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)短波紅外光譜儀，像質(zhì)接近衍射極限，設(shè)計(jì)的MTF大于0.75。系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)如表1，光學(xué)系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>權(quán)利要求1.一種棱鏡分光短波紅外成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，包括色散棱鏡、反射鏡和校正透鏡，其特征在于所述的光學(xué)系統(tǒng)在像面(6)前面有一塊用于校正系統(tǒng)場曲與狹縫彎曲的離軸球面校正透鏡(5)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種棱鏡分光短波紅外成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述的離軸球面校正透鏡(5)采用低折射率的透鏡材料。全文摘要本發(fā)明公開了一種棱鏡分光短波紅外成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)。它采用離軸透鏡來校正大視場像差，同時(shí)校正了狹縫彎曲和畸變，避免了采用大口徑同心透鏡，降低了大口徑透鏡獲取難度和加工要求；采用一個(gè)色散棱鏡來修正非線性色散，滿足了光譜分辨率要求，在棱鏡背面鍍反射膜，光束直接從棱鏡發(fā)生反射，取消了利特羅反射鏡，簡化了結(jié)構(gòu)，減輕了重量；采用兩個(gè)離軸非球面反射鏡作為準(zhǔn)直和會聚光學(xué)元件，通過調(diào)節(jié)離軸角和光譜儀的焦距控制了畸變，從而補(bǔ)償了與波長相關(guān)的狹縫彎曲，并減小了殘余像差。文檔編號G01J3/02GK101672694SQ20091019730公開日2010年3月17日申請日期2009年10月16日優(yōu)先權(quán)日2009年10月16日發(fā)明者丁學(xué)專,于茂華,劉成林,劉銀年,波楊,欣王,王建宇,王躍明申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所