基于自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)，該系統(tǒng)由入射狹縫，自由曲面準(zhǔn)直反射鏡，平面衍射光柵以及自由曲面成像反射鏡和像面探測器組成。本實用新型的特點在于使用高性能且工藝成熟的平面光柵，配以高自由度的非旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、小像差、低畸變、高效率的分光系統(tǒng)。系統(tǒng)中采取孔徑離軸的方式達(dá)到無光線遮攔的目的，各光學(xué)元件之間不存在相對的角度旋轉(zhuǎn)，可以較方便簡易地實現(xiàn)裝調(diào)，縮短研制的周期。本實用新型基于自由曲面的分光系統(tǒng)的設(shè)計的實施例在8-12.5μm的長波紅外譜段實現(xiàn)了很好的光譜成像，在保證系統(tǒng)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。本實用新型可以應(yīng)用于航天、航空的高光譜成像領(lǐng)域。
【專利說明】基于自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng) 【技術(shù)領(lǐng)域】
[〇〇〇1] 本專利屬于成像光譜儀設(shè)計領(lǐng)域，具體涉及一種新型的基于自由曲面的平面光柵 分光系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計，本專利的實施例譜段為長波紅外，它也適用于可見近紅外或中波紅 外等其他譜段的光譜成像系統(tǒng)分光組件的設(shè)計。 【背景技術(shù)】
[0002] 成像光譜儀是成像技術(shù)和光譜技術(shù)的有機結(jié)合，它能同時獲取目標(biāo)的二維空間 信息和一維光譜信息，形成數(shù)據(jù)立方，被廣泛地用于社會生產(chǎn)、軍事活動、宇宙和天文探測 以及航空航天遙感等諸多領(lǐng)域。其光學(xué)系統(tǒng)一般由前置望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和光譜分光系統(tǒng)組成， 而分光系統(tǒng)決定著成像光譜儀的基本性能，是革新常規(guī)光譜儀的關(guān)鍵，因為分光系統(tǒng)直接 影響著整個成像光譜儀的性能、結(jié)構(gòu)的復(fù)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(jié)構(gòu)無動部件、技術(shù)成熟、性能高、線性好、具有寬的光譜范圍和高的分 辨率而成為了現(xiàn)行成像光譜儀主流的分光手段。國際上廣泛應(yīng)用的光柵分光系統(tǒng)的主 要形式有：采用凸面光柵的Offner結(jié)構(gòu)、采用凹面光柵的Dyson結(jié)構(gòu)、采用平面光柵的 Czerny-Turner結(jié)構(gòu)等，還有一些采用光柵和棱鏡組合的分光結(jié)構(gòu)。
[0003] Offner結(jié)構(gòu)為全反射式，不受波段限制，其分光組件為凸面光柵，結(jié)構(gòu)簡單緊湊； Dyson結(jié)構(gòu)采用透射式，可以實現(xiàn)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(fā)展使用較晚，其加工、檢測等技術(shù)相對不成熟，特別是用于 熱紅外譜段的超低刻線數(shù)光柵的制造工藝難度更大，造成該類高性能器件制造難，成本高， 設(shè)計局限性大。
[0004] 平面光柵作為一種加工制作工藝成熟、成本較低、獲取渠道相對暢通的分光組件， 是現(xiàn)在最為普遍應(yīng)用的分光組件。但是相對于凸面光柵和凹面光柵而言，采用平面光柵分 光的Czerny-Turner結(jié)構(gòu)受像差校正的限制，難以實現(xiàn)大的相對孔徑，并且隨著狹縫變長 所導(dǎo)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、分辨率較低的問題。為 了彌補這些缺陷和校正各種像差，基于平面光柵的Czerny-Turner結(jié)構(gòu)經(jīng)常用于小像差大 F數(shù)的光譜成像系統(tǒng)，并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(zhuǎn) 和偏心，對設(shè)計、裝調(diào)的要求較高，研制周期較長。
[0005] 另外，其它基于平面光柵的光譜儀分光系統(tǒng)則一般通過增加元部件的方式來增加 平衡系統(tǒng)的自由度，系統(tǒng)較為復(fù)雜，需要引入多組透鏡或者棱鏡，每一個棱鏡或者透鏡的微 小傾斜和偏心都會給系統(tǒng)的圖像質(zhì)量帶來嚴(yán)重的影響，必然導(dǎo)致整個系統(tǒng)的裝調(diào)和測試?yán)?難，研制周期長和研制成本高等。此外光線要經(jīng)過多次折射和反射才能達(dá)到探測器，每次折 射和反射都帶來光能的損失，必然會導(dǎo)致系統(tǒng)光能利用率低。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 基于上述現(xiàn)有光譜儀分光技術(shù)存在的問題，為了較好地解決分光系統(tǒng)高性 能、簡易性以及低成本之間的矛盾，本專利的主要目的是借鑒于已有的Offner結(jié)構(gòu)和 Czerny-Turner結(jié)構(gòu)，取其各自的優(yōu)點，避其各自的缺點，以平面閃耀光柵為分光器件，配以 高自由度的非旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面進(jìn)行準(zhǔn)直及成像，設(shè)計出基于自由曲面的新型分光系統(tǒng)。 該系統(tǒng)簡單、緊湊，裝調(diào)容易的同時能實現(xiàn)小像差、低畸變及高效率。
[0007] 本專利的分光系統(tǒng)采用近似Offner的結(jié)構(gòu)形式，系統(tǒng)為全反射式，僅僅利用孔徑 的離軸來達(dá)到避免遮攔的目的，各光學(xué)元件之間不存在相對的角度旋轉(zhuǎn)。系統(tǒng)分別利用一 個自由曲面準(zhǔn)直鏡和一個自由曲面成像鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)平面光柵分光系統(tǒng)中由多組透鏡組成 的準(zhǔn)直鏡和成像鏡，基于自由曲面光學(xué)元件大的自由度和非旋轉(zhuǎn)對稱性，能很好地校正多 種離軸像差和非旋轉(zhuǎn)對稱像差等優(yōu)點，以達(dá)到提高光譜儀分光系統(tǒng)成像質(zhì)量、簡化系統(tǒng)的 設(shè)計，降低系統(tǒng)的加工、裝調(diào)難度，減小光譜儀器的體積、自重的目的。
[0008] 本專利的分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如附圖1所示，它包括入射狹縫1、準(zhǔn)直自由曲面反射鏡2、 衍射光柵3、成像自由曲面反射鏡4,入射狹縫1位于前望遠(yuǎn)鏡的焦面上，是前望遠(yuǎn)鏡無窮遠(yuǎn) 目標(biāo)的像；衍射光柵3是平面光柵，自由曲面反射鏡準(zhǔn)直鏡2和成像自由曲面反射鏡4均為 不具有旋轉(zhuǎn)對稱形式的自由曲面；系統(tǒng)的孔徑光闌設(shè)置在平面衍射光柵3上，準(zhǔn)直自由曲 面反射鏡2和成像自由曲面反射鏡4相對于光柵3設(shè)置，二者的曲率中心重合，并且和光柵 的中心在同一直線上；從入射狹縫1發(fā)出的光經(jīng)準(zhǔn)直自由曲面反射鏡2反射至衍射光柵3， 經(jīng)衍射光柵3衍射分光后的光被反射至成像自由曲面反射鏡4,最后由自由曲面反射鏡4反 射至安放有探測器5的像面上。
[0009] 準(zhǔn)直自由曲面反射鏡2和成像自由曲面反射鏡4均為非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面，其 表達(dá)式為公式（1)所示，其中：c為中心點和0 2的曲率，k為二次系數(shù)，為各項系數(shù)， (X，y, z)為自由曲面上各點的坐標(biāo)。。
[〇〇1〇] 在該系統(tǒng)中，孔徑光闌設(shè)置在衍射光柵3上，準(zhǔn)直自由曲面反射鏡2和成像自由曲 面反射鏡4均相對于衍射光柵3設(shè)置，準(zhǔn)直自由曲面反射鏡2、衍射光柵3和成像自由曲面 反射鏡4的中心皆位于同一條直線上，系統(tǒng)采用孔徑離軸的方式避免光線的遮攔，各光學(xué) 元件之間不存在相對的角度旋轉(zhuǎn)。
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【權(quán)利要求】
1. 一種基于自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)，它包括入射狹縫（1)、準(zhǔn)直自由曲面反 射鏡（2)、衍射光柵（3)、成像自由曲面反射鏡（4)，其特征在于：入射狹縫（1)位于前望遠(yuǎn) 鏡的焦面上，是前望遠(yuǎn)鏡無窮遠(yuǎn)目標(biāo)的像；衍射光柵（3)是平面光柵，準(zhǔn)直自由曲面反射鏡 (2) 和成像自由曲面反射鏡（4)均為不具有旋轉(zhuǎn)對稱形式的自由曲面；系統(tǒng)的孔徑光闌設(shè) 置在平面衍射光柵（3)上，準(zhǔn)直自由曲面反射鏡（2)和成像自由曲面反射鏡（4)相對于光柵 (3) 設(shè)置，二者的中心01和02重合，并且和光柵的中心在同一直線上；從入射狹縫（1)發(fā)出 的光經(jīng)準(zhǔn)直自由曲面反射鏡（2)反射至衍射光柵（3)，經(jīng)衍射光柵（3)衍射分光后的光被反 射至成像自由曲面反射鏡（4)，最后由自由曲面反射鏡（4)反射至安放有探測器（5)的像面 上實現(xiàn)光譜成像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)，其特征在于：所 述的準(zhǔn)直自由曲面反射鏡（2)和成像自由曲面反射鏡（4)的非旋轉(zhuǎn)對稱自由曲面為：
其中：c為中心點的曲率，k為二次系數(shù)，為各項系數(shù)，（X，y, z)為自由曲面上點 的坐標(biāo)。
【文檔編號】G01J3/02GK203881441SQ201420145018
【公開日】2014年10月15日 申請日期:2014年3月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月28日
【發(fā)明者】侯佳, 何志平, 袁立銀, 況耀武, 舒嶸 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所