一種基于單個自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于單個自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)，系統(tǒng)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(fā)明的特點在于兩次使用一個非旋轉(zhuǎn)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(xiàn)結(jié)構(gòu)簡單、緊湊，小像差、低畸變、高效率的光譜儀分光系統(tǒng)。本發(fā)明基于單個自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)的實施例在400-1000nm的可見近紅外譜段實現(xiàn)了較好的光譜成像，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。本發(fā)明可以應用于航天、航空的高光譜成像領域。
【專利說明】一種基于單個自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)

【技術(shù)領域】
[0001] 本發(fā)明屬于成像光譜儀設計領域，具體涉及一種新型的基于單個自由曲面和平面 閃耀光柵的成像光譜儀分光系統(tǒng)的光學設計，本發(fā)明的實施例譜段在可見近紅外，它也適 用于短波紅外以及熱紅外等其他譜段的光譜成像系統(tǒng)分光組件的設計。

【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域。其光學系統(tǒng)一般由前置望遠鏡系統(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。國際上廣泛應用的光柵分光系統(tǒng)的主 要形式有：采用凸面光柵的OfTner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] OfTner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、制造難、成 本高、設計局限性大。
[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)量帶來嚴重的影響，必然導致整個系統(tǒng)的裝調(diào)和測試困 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(tǒng)光能利用率低。
[0006] 針對以上的問題，專利201410120502. 8提出了一種基于自由曲面的光譜儀分光 系統(tǒng)，分別利用一個自由曲面充當準直鏡和成像鏡，實現(xiàn)基于兩個自由曲面的平面光柵光 譜儀分光系統(tǒng)的設計。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 綜以上所述，本發(fā)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(tǒng)性能的前提下，減少系統(tǒng)的元件數(shù)量，簡化系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，降低系統(tǒng)的成本。該 系統(tǒng)在元件數(shù)量更少、結(jié)構(gòu)更簡單、緊湊，裝調(diào)更容易的同時能實現(xiàn)小像差、低畸變和高效 率。
[0008] 本發(fā)明的系統(tǒng)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(zhuǎn)。系統(tǒng)利用一個自由曲面反射鏡代替?zhèn)鹘y(tǒng)平面光柵分光系 統(tǒng)中由多組透鏡組成的準直鏡和成像鏡，通過兩次使用自由曲面反射鏡，分別實現(xiàn)準直和 成像，并且基于自由曲面光學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，以達到提高光譜儀分光系統(tǒng)成像質(zhì)量、簡化系統(tǒng)的設計，降低 系統(tǒng)的裝調(diào)難度，減小光譜儀器的體積、自重的目的。
[0009] 本發(fā)明的分光系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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位于前望遠鏡的焦面上，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(tǒng)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，并且不存在任何的相對角度旋 轉(zhuǎn)。從入射狹縫1發(fā)出的光經(jīng)自由曲面反射鏡2反射至平面閃耀光柵3,經(jīng)平面閃耀光柵3 衍射分光后的光被重新反射至自由曲面反射鏡2,最后由自由曲面反射鏡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(zhuǎn)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為二次系數(shù)，C1-C27為各項系數(shù)，（X，y, z)為自由曲面上各點的坐標。

【權(quán)利要求】
1. 一種基于單個自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)，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)，其特征在于：從入射狹縫（1)出射的光經(jīng)自由曲面 反射鏡（2)準直反射至平面閃耀光柵（3)，經(jīng)平面閃耀光柵（3)衍射分光后被重新反射至自 由曲面反射鏡（2)，最后經(jīng)自由曲面反射鏡（2)反射至像面（4)的上實現(xiàn)光譜成像。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于單個自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)，其特征在 于：所述的自由曲面反射鏡（2)為非旋轉(zhuǎn)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(yōu)先權(quán)日:2014年6月12日
【發(fā)明者】侯佳, 何志平, 袁立銀, 況耀武, 舒嶸, 張小衛(wèi), 陳爽 申請人:中國科學院上海技術(shù)物理研究所