專(zhuān)利名稱(chēng)：寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學(xué)裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域中成像光譜儀的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種寬波段平面光 柵色散型成像光譜儀的光學(xué)裝置。
背景技術(shù)：
光柵色散型成像光譜儀相對(duì)于棱鏡色散型成像光譜儀具有光譜分辨率高、色散均 勻的特點(diǎn)，因此光柵色散型成像光譜儀正在得到越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。平面光柵與凹面非球 面光柵和凸面光柵相比，具有加工技術(shù)成熟、通用性好等優(yōu)點(diǎn)。隨著光譜儀器的發(fā)展，傳 統(tǒng)的平面光柵色散型光譜儀，如光柵單色儀和光譜輻射計(jì)等，相繼出現(xiàn)了艾伯特-法斯特 (Ebert-Fastie)型、切爾尼-特納(Czerny-Turner)型、李特洛(Littrow)型等光學(xué)結(jié)構(gòu) 型式，但這些現(xiàn)有的平面光柵色散型光譜儀結(jié)構(gòu)，因?yàn)橛谐錾洫M縫的存在，采用單通道探測(cè) 器(如光電倍增管、光電二極管)作為光電轉(zhuǎn)換器件，通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)光柵輸出不同波長(zhǎng)的光譜， 通常只對(duì)中心波長(zhǎng)，即設(shè)計(jì)波長(zhǎng)校正像差；并且由于儀器不要求空間分辨率，殘余像差較 大，沿狹縫長(zhǎng)度方向存在很大的像散。而成像光譜儀要求在光柵固定的條件下在寬波段內(nèi) 同時(shí)獲得良好的成像質(zhì)量，可見(jiàn)，現(xiàn)有的平面光柵色散型成像光譜儀結(jié)構(gòu)不適合成像光譜 儀應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有平面光柵光譜儀只對(duì)中心波長(zhǎng)校正像差且殘余像差較大的缺 陷，沿狹縫長(zhǎng)度方向存在很大像散的問(wèn)題，提供一種寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的 光學(xué)裝置。寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學(xué)裝置，該裝置包括前置光學(xué)系統(tǒng)和 Czerny-Turner光譜成像系統(tǒng)，所述前置光學(xué)系統(tǒng)包括孔徑光闌和離軸拋物面鏡；所述 Czerny-Turner光譜成像系統(tǒng)由入射狹縫、球面準(zhǔn)直鏡、平面光柵、平面鏡、超環(huán)面聚焦鏡、 面陣焦平面探測(cè)器組成；所述入射狹縫位于由孔徑光闌和離軸拋物面鏡組成的前置光學(xué)系 統(tǒng)的焦面上，通過(guò)入射狹縫的出射光投射到球面準(zhǔn)直鏡上，經(jīng)球面準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后投射到平 面光柵上，從所述平面光柵出射的衍射光經(jīng)平面鏡轉(zhuǎn)折后投射到超環(huán)面聚焦鏡上，然后經(jīng) 所述超環(huán)面聚焦鏡聚焦成像到面陣焦平面探測(cè)器上。本發(fā)明的工作原理本發(fā)明所述的離軸拋物面型前置光學(xué)系統(tǒng)把遠(yuǎn)距離的線狀物 成像在入射狹縫上，這相當(dāng)于空間遙感系統(tǒng)中，把垂直于推掃方向的遠(yuǎn)距離地面的線狀目 標(biāo)成像于光譜成像系統(tǒng)的入射狹縫上。通過(guò)入射狹縫之后的出射光投射到球面準(zhǔn)直鏡上， 經(jīng)球面準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后投射到平面光柵上，從光柵出射的衍射光經(jīng)平面鏡轉(zhuǎn)折后投射到超環(huán) 面聚集鏡上，經(jīng)超環(huán)面聚集鏡聚集成像到面陣焦平面探測(cè)器上，形成光譜和圖像的二維分 布。其中平行于狹縫長(zhǎng)度方向上為空間維，垂直于狹縫長(zhǎng)度方向上為光譜維。本發(fā)明的特 點(diǎn)是從寬波段像差同時(shí)校正和像散校正兩方面改進(jìn)了傳統(tǒng)的Czerny-Turner結(jié)構(gòu)，使其滿(mǎn) 足寬波段成像光譜儀的應(yīng)用要求。利用超環(huán)面聚焦鏡在子午和弧矢方向的半徑不同來(lái)校正系統(tǒng)的像散。將平面光柵置于聚焦鏡的曲率中心附近來(lái)實(shí)現(xiàn)寬波段像差同時(shí)校正，并為減 小系統(tǒng)體積在平面光柵與超環(huán)面聚焦鏡之間加入平面鏡來(lái)轉(zhuǎn)折光路。前置光學(xué)系統(tǒng)采用離 軸拋物面，無(wú)色差，在滿(mǎn)足成像質(zhì)量的同時(shí)可以簡(jiǎn)化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明將離軸拋物面鏡與Czerny-Turner型光譜成像系統(tǒng)匹 配組成成像光譜儀全系統(tǒng)的光路結(jié)構(gòu)。本發(fā)明采用平面光柵作為色散元件，利用超環(huán)面聚 焦鏡來(lái)校正系統(tǒng)的像散，通過(guò)調(diào)整平面光柵到聚集鏡的距離可以在寬波段內(nèi)同時(shí)獲得良好 的成像質(zhì)量，避免了設(shè)計(jì)和加工都比較困難的凹面非球面光柵和凸面光柵，并且降低了成 本。本發(fā)明裝置具有寬光譜范圍、高光譜分辨率以及光學(xué)結(jié)構(gòu)小型化的特點(diǎn)，特別適合于航 空航天遙感對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的高光譜成像系統(tǒng)。


圖1為本發(fā)明所述的寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學(xué)裝置的光學(xué)結(jié)構(gòu) 示意圖；圖2為本發(fā)明圖1中所示的超環(huán)面聚焦鏡的工作原理圖；圖3為本發(fā)明裝置搭載于衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)地觀測(cè)光路計(jì)算示意圖。圖中1、孔徑光闌，2、離軸拋物面鏡，3、入射狹縫，4、球面準(zhǔn)直鏡，5、平面光柵，6、 平面鏡，7、超環(huán)面聚焦鏡，8、面陣焦平面探測(cè)器。
具體實(shí)施例方式具體實(shí)施方式
一、結(jié)合圖1和圖2說(shuō)明本實(shí)施方式，寬波段平面光柵色散型成像光 譜儀的光學(xué)裝置，該裝置包括前置光學(xué)系統(tǒng)和Czerny-Turner光譜成像系統(tǒng)，所述前置光 學(xué)系統(tǒng)包括孔徑光闌1和離軸拋物面鏡2 ；所述Czerny-Turner光譜成像系統(tǒng)由入射狹縫 3、球面準(zhǔn)直鏡4、平面光柵、平面鏡、超環(huán)面聚焦鏡、面陣焦平面探測(cè)器組成；所述入射狹縫 3位于由孔徑光闌1和離軸拋物面鏡2組成的前置光學(xué)系統(tǒng)的焦面上，通過(guò)入射狹縫3的 出射光投射到球面準(zhǔn)直鏡4上，經(jīng)球面準(zhǔn)直鏡4準(zhǔn)直后投射到平面光柵5上，從所述平面光 柵5出射的衍射光經(jīng)平面鏡6轉(zhuǎn)折后投射到超環(huán)面聚焦鏡7上，然后經(jīng)所述超環(huán)面聚焦鏡 7聚焦成像到面陣焦平面探測(cè)器8上。
具體實(shí)施方式
二、結(jié)合圖2和圖3所示，本實(shí)施方式為具體實(shí)施方式
一所述的寬波 段平面光柵色散型成像光譜儀的光學(xué)裝置的實(shí)施例，包括由孔徑光闌1和離軸拋物面鏡2 組成的前置光學(xué)系統(tǒng)以及由入射狹縫3、球面準(zhǔn)直鏡4、平面光柵5、平面反射鏡6、超環(huán)面聚 焦鏡7和面陣焦平面探測(cè)器8組成的光譜成像系統(tǒng)。將本發(fā)明裝置搭載于衛(wèi)星平臺(tái)對(duì)地面目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，工作波段350nm 750nm。 結(jié)合3，X方向?yàn)榭畿壏较?，即為入射狹縫3的長(zhǎng)度方向，Y方向?yàn)樾l(wèi)星運(yùn)行方向，即為入射 狹縫3的寬度方向，Z方向?yàn)樾l(wèi)星高度方向；X方向?qū)?yīng)地面寬度為25km，衛(wèi)星軌道高度為 800km。所述前置光學(xué)系統(tǒng)采用離軸拋物面鏡2，所述離軸拋物面鏡2的焦距120mm，有效 口徑Φ 20mm;離軸拋物面鏡2的面型參數(shù)為半徑_240mm，二次曲面系數(shù)-1，離軸量25mm。 入射狹縫3位于前置光學(xué)系統(tǒng)的焦平面上，被測(cè)目標(biāo)被成像在入射狹縫3上，所述入射狹縫 3的出射光以一定角度投射到球面準(zhǔn)直鏡4上，經(jīng)球面準(zhǔn)直鏡4準(zhǔn)直后入射到平面光柵5上；其中球面準(zhǔn)直鏡4半徑MOmm，光柵刻線密度為300g/mm，經(jīng)平面光柵5色散的平行光束 投射到平面鏡6上，最后投射到超環(huán)面鏡聚焦鏡7上；結(jié)合2所示，所述超環(huán)面聚焦鏡的子 午方向的半徑R為-360mm，弧矢方向的半徑P為-343. 725mm。經(jīng)聚焦投射到面陣焦平面探 測(cè)器8表面，所述面陣焦平面探測(cè)器8采用高靈敏度大動(dòng)態(tài)范圍的大面陣CCD，為IKX 1K， 像元單元尺寸根據(jù)瞬時(shí)視場(chǎng)計(jì)算，所述CCD圖像采集量化精度為12bit。圖像采集控制及信 號(hào)處理采用微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，它完成數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)及傳輸?shù)裙δ?。在本?shí)施例中，光學(xué)系統(tǒng)的總視場(chǎng)角為FOV =幅寬 / 軌道高度=25/800 = 31. 25mrad設(shè)光學(xué)系統(tǒng)瞬時(shí)視場(chǎng)角對(duì)應(yīng)的地面目標(biāo)尺寸為168m，則可以根據(jù)飛行高度計(jì)算出 瞬時(shí)視場(chǎng)角IFOV = 168/(800 X IO3) = 0. 2Imrad因此瞬時(shí)視場(chǎng)角對(duì)應(yīng)的狹縫寬度a可以根據(jù)前置光學(xué)系統(tǒng)的焦距進(jìn)行計(jì)算a = 0. 21radX 120mm = 25 μ mCXD的像元尺寸d與瞬時(shí)視場(chǎng)對(duì)應(yīng)，因此等于狹縫寬度a，即d = 25 μ m。本具體實(shí)施例驗(yàn)證了本發(fā)明所采用的超環(huán)面聚焦鏡來(lái)校正系統(tǒng)的像散，通過(guò)調(diào)整 平面光柵到超環(huán)面聚焦鏡的距離可以在寬波段內(nèi)同時(shí)獲得良好的成像質(zhì)量。本發(fā)明在航空 航天遙感領(lǐng)域有廣泛的應(yīng)用前景。
權(quán)利要求
1.寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學(xué)裝置，該裝置包括前置光學(xué)系統(tǒng)和 Czerny-Turner光譜成像系統(tǒng)，其特征是，所述前置光學(xué)系統(tǒng)包括孔徑光闌(1)和離軸拋物 面鏡O)；所述Czerny-Turner光譜成像系統(tǒng)由入射狹縫(3)、球面準(zhǔn)直鏡0)、平面光柵 (5)、平面鏡(6)、超環(huán)面聚焦鏡(7)、面陣焦平面探測(cè)器(8)組成；所述入射狹縫C3)位于由 孔徑光闌(1)和離軸拋物面鏡( 組成的前置光學(xué)系統(tǒng)的焦面上，通過(guò)前置光學(xué)系統(tǒng)出射 的出射光經(jīng)入射狹縫C3)后投射到球面準(zhǔn)直鏡(4)上，經(jīng)球面準(zhǔn)直鏡(4)準(zhǔn)直后出射光投 射到平面光柵( 上，從所述平面光柵(5)出射的衍射光經(jīng)平面鏡(6)轉(zhuǎn)折后投射到超環(huán) 面聚焦鏡(7)上，然后經(jīng)所述超環(huán)面聚焦鏡(7)聚焦成像到面陣焦平面探測(cè)器(8)上。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學(xué)裝置，其特征在 于，所述平面光柵(5)中心到超環(huán)面聚焦鏡(7)頂點(diǎn)的距離為超環(huán)面聚焦鏡(7)的子午方 向的半徑R與超環(huán)面聚焦鏡(7)離軸角的余弦的乘積值。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學(xué)裝置，其特征 在于，所述超環(huán)面聚焦鏡(7)的弧矢方向的半徑P小于超環(huán)面聚焦鏡(7)子午方向半徑R。
全文摘要
寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學(xué)裝置涉及對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域中成像光譜儀的技術(shù)領(lǐng)域，它解決了現(xiàn)有平面光柵光譜儀只對(duì)中心波長(zhǎng)校正像差且殘余像差較大的缺陷，沿狹縫長(zhǎng)度方向存在很大像散的問(wèn)題，本發(fā)明由孔徑光闌、離軸拋物面鏡、入射狹縫、球面準(zhǔn)直鏡、平面光柵、平面鏡、超環(huán)面聚焦鏡和面陣焦平面探測(cè)器組成。所述入射狹縫位于由孔徑光闌和離軸拋物面鏡組成的前置光學(xué)系統(tǒng)的焦面上，通過(guò)入射狹縫的出射光投射到球面準(zhǔn)直鏡上，經(jīng)球面準(zhǔn)直鏡準(zhǔn)直后投射到平面光柵上，從平面光柵出射的衍射光經(jīng)平面鏡轉(zhuǎn)折后投射到超環(huán)面聚焦鏡上，然后經(jīng)超環(huán)面聚焦鏡聚焦成像到面陣焦平面探測(cè)器上。本發(fā)明特別適合于航空航天遙感對(duì)地觀測(cè)領(lǐng)域的高光譜成像系統(tǒng)。
文檔編號(hào)G01J3/28GK102109379SQ20101058582
公開(kāi)日2011年6月29日 申請(qǐng)日期2010年12月14日 優(yōu)先權(quán)日2010年12月14日
發(fā)明者王淑榮, 薛慶生 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所