基于單個(gè)自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本專利公開了一種基于單個(gè)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。本專利的特點(diǎn)在于兩次使用一個(gè)非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡分別充當(dāng)準(zhǔn)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(shí)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)。本專利基于單個(gè)自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)的實(shí)施例在400-1000nm的可見近紅外譜段實(shí)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。本專利可以應(yīng)用于航天、航空的高光譜成像領(lǐng)域。
【專利說明】基于單個(gè)自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本專利屬于成像光譜儀設(shè)計(jì)領(lǐng)域，具體涉及一種新型的基于單個(gè)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(xué)設(shè)計(jì)，本專利的實(shí)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(shè)計(jì)。

【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(jī)結(jié)合，它能同時(shí)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(huì)生產(chǎn)、軍事活動(dòng)、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?yàn)榉止庀到y(tǒng)直接影響著整個(gè)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?yàn)槠浣Y(jié)構(gòu)無動(dòng)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]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(shí)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(shè)計(jì)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(shí)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(bǔ)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(jì)、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(gè)棱鏡或者透鏡的微小傾斜和偏心都會(huì)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(gè)系統(tǒng)的裝調(diào)和測試?yán)щy，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(huì)導(dǎo)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(gè)自由曲面充當(dāng)準(zhǔn)直鏡和成像鏡，實(shí)現(xiàn)基于兩個(gè)自由曲面的平面光柵光譜儀分光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]綜以上所述，本專利的主要目的是在專利201410120502.8的基礎(chǔ)上，以兩次利用同一個(gè)自由曲面反射鏡分別充當(dāng)準(zhǔn)直鏡和成像鏡的形式代替原有的兩個(gè)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(shí)能實(shí)現(xiàn)小像差、低畸變和高效率。
[0008]本專利的系統(tǒng)為全反射式，僅僅利用視場的離軸來達(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)利用一個(gè)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(zhǔn)直鏡和成像鏡，通過兩次使用自由曲面反射鏡，分別實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)直和成像，并且基于自由曲面光學(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(diǎn)，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(jì)，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、自由曲面反射鏡2、平面閃耀光柵3以及像面4。入射狹縫I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；自由曲面反射鏡2兩次使用，分別充當(dāng)準(zhǔn)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I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(dá)式為公式⑴所示，其中:c為中心點(diǎn)的曲率，k為二次系數(shù)，C1-C27為各項(xiàng)系數(shù)，(X，y, z)為自由曲面上各點(diǎn)的坐標(biāo)。
z(x,_v) = _i w) 丨

I + -\j\ _(丨 + k)((x~ + V')6._)
C1X + C1V +
「 n C3X2 + C4xy + C5y2 +{.
[0011]Γ2 ^,? 3 工⑴
C6X + C7X y + C8Xv + C9y +
C10X4 + C1 〖χ3_ν + Cl^x1V2 + C13XV3 + C14V4 +
C15X5 + C16X4V + C17X3V2 + C18X2V3 + C19XV4 + C20_v5 +
C2rT6 + C^x5V + C23X4V1 + C^4X3V3 + C^5X2V4 + C^xy5 + C^7V6
[0012]以可見近紅外譜段(0.4μπι-1μπι)的分光系統(tǒng)為設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述了本專利的可行性和實(shí)用性。設(shè)計(jì)實(shí)例的參數(shù)指標(biāo)如表I所示，在保證系統(tǒng)簡單性的前提下，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到利用凸面或者凹面光柵的分光系統(tǒng)相當(dāng)?shù)乃健Ｗ杂汕娣瓷溏R2的各項(xiàng)系數(shù)如表2所示，值得一提的是，現(xiàn)有的金剛石單點(diǎn)車削技術(shù)水平下，本專利中提到的自由曲面以銅或者鋁金屬作為材料的前提下，其加工精度可達(dá)1/4 λ @632.8nm，本系統(tǒng)的公差分析表明，這一加工精度可以滿足系統(tǒng)的公差要求，當(dāng)本專利的方法用于短波紅外或者熱紅外譜段時(shí)，對自由曲面加工精度的要求能夠適當(dāng)?shù)慕档?，所以在現(xiàn)有加工條件下，能夠保證本專利中用到的自由曲面的加工。
[0013]表I
[0014]指標(biāo)—
光譜范圍0.4-1μηι
光譜米樣間隔1.6nm
F \5
設(shè)計(jì)參數(shù)—
狄縫6m m>-.16μηι




100 line/mm
探測器像元尺寸16μηιχ16μηι
探測器分辨率375(空間)X 400(光譜)
性能—
像面彌散斑RMS半徑<6μηι
單個(gè)像元的衍射能量分布>80%
調(diào)制傳遞函數(shù)(奈奎斯特頻率321p/mm)>0.6
譜線彎曲_<2μιη_
[0015]
色畸變_<7.5μηι_
[0016]本專利的有益效果是:系統(tǒng)使用工藝成熟、成本較低、性能優(yōu)良且獲取渠道暢通的分光元件平面閃耀光柵配以非旋轉(zhuǎn)對稱的自由曲面反射鏡，實(shí)現(xiàn)小像差、低畸變、高效率的分光系統(tǒng)；系統(tǒng)元件數(shù)量少，減少了由于多次反射或者折射造成的光能損失，結(jié)構(gòu)簡單、緊湊；系統(tǒng)中各光學(xué)元件(除像面4外)之間不存在相對的角度旋轉(zhuǎn)，且兩個(gè)關(guān)鍵光學(xué)元件(自由曲面反射鏡2、平面閃耀光柵3)共軸設(shè)置，這很大程度地減小了裝調(diào)的難度，大大地縮短了研制的周期；最后本專利利用自由曲面簡化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的前提下，保證了系統(tǒng)了性能。
[0017]表2
[0018]
^
O-8.357e-62.1118e-3~ O2.0933e-3~ O1.698e-6
C8C9C10C11C12C13C14
O1.410e-6~ -2.454e-9~ O-1.224e-8~ O1.914e-9
C15C16C17C18C19C20C21
0-3.020e-10O-1.484e-9~0-3.244e-10 2.088e-12
C22C23C24C25C26C27
08.480e-120L 863e-ll~0L 324e-12

【專利附圖】

【附圖說明】
[0019]圖1是分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖2是O視場，±0.5視場和土 I視場的點(diǎn)列圖RMS半徑隨波長的變化。
[0021]圖3是短波限0.4μπκ中心波長0.7μπι和長波限Ιμπι下的點(diǎn)列圖RMS半徑隨視場的變化。
[0022]圖4-6分別是短波限0.4 μ m、中心波長0.7 μ m和長波限I μ m下的傳遞函數(shù)曲線。
[0023]圖7為系統(tǒng)的譜線彎曲曲線。
[0024]圖8為系統(tǒng)的光譜畸變曲線，各視場的光譜畸變以中心波長為參考。
[0025]圖9是短波限、中心波長和長波限偏移土 1.6nm的光譜成像示意圖，從左至右分別為O視場、0.2視場、0.4視場、0.6視場、0.8視場、I視場。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本專利作進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
[0027]如圖1所示，本專利的光譜儀分光系統(tǒng)以高性能、結(jié)構(gòu)簡單的凸面光柵Offner結(jié)構(gòu)和基于平面光柵的Czerny-Turner結(jié)構(gòu)為設(shè)計(jì)原型,取其二者的優(yōu)點(diǎn),避其缺點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)在元器件數(shù)量較少以及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單性前提下的高性能分光。分光系統(tǒng)包括狹縫1、自由曲面反射鏡2、平面閃耀光柵3以及像面4。狹縫I為前望遠(yuǎn)物鏡的焦面，來自遠(yuǎn)處目標(biāo)的入射光束經(jīng)過望遠(yuǎn)鏡成像于狹縫1，作為分光系統(tǒng)的物平面；自由曲面反射鏡2兩次利用，分別充當(dāng)準(zhǔn)直鏡和成像鏡，經(jīng)過狹縫的光束被自由曲面反射鏡2準(zhǔn)直后入射到平面閃耀光柵3上進(jìn)行衍射色散分光，不同波長的光經(jīng)過平面閃耀光柵3衍射后以不同的出射角出射，重新經(jīng)過自由曲面反射鏡2反射成像在像面4的不同位置上，實(shí)現(xiàn)光譜成像。
[0028]分光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)步驟為:
[0029](I)、系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)計(jì)算，反射鏡2和平面閃耀光柵共軸設(shè)置，反射鏡2兩次利用，這樣既可以避免二次衍射與多次衍射，同時(shí)又方便反射鏡的裝調(diào)與加工。為了消球差，根據(jù)瑞利判據(jù)，反射鏡2的曲率半徑需滿足公式(2)所示。其中，D為反射鏡的直徑，r為反射鏡的曲率半徑，F(xiàn)為系統(tǒng)的F數(shù)
[0030]、DI1) <- f = r/2<256XF4(2；
Sr4 4
[0031]相應(yīng)地，狹縫到反射鏡2的距離為r/2，反射鏡2到像面的距離為_r/2，同時(shí)類似Offner的結(jié)構(gòu)形式，對狹縫I設(shè)定一個(gè)相對于y軸的離軸量，以避免光線的遮攔，這時(shí)可以大致地得到光柵的入射角i和衍射角Θ，同時(shí)依據(jù)光柵的色散方程，如公式(3)所示，可以根據(jù)中心波長、入射角和衍射角等大致計(jì)算光柵每毫米的刻線數(shù)1/d。
[0032]d (sin1-sin θ ) = m λ B (3)
[0033](2)、顯然以上的初始結(jié)構(gòu)并不能得到很好的光譜成像質(zhì)量，接下來設(shè)置反射鏡2曲率半徑、各元件之間的距離、離軸量和光柵的刻線數(shù)等為變量，并且初步調(diào)整這些變量，注意控制光線的遮攔(可通過設(shè)置虛擬表面的形式，控制光線在虛擬表面上的坐標(biāo)值)，經(jīng)過反復(fù)的計(jì)算和優(yōu)化，使設(shè)計(jì)的結(jié)果逐步地接近系統(tǒng)的設(shè)計(jì)技術(shù)指標(biāo)。
[0034](3)、步驟⑵的優(yōu)化變量十分有限,相對于傳統(tǒng)的平面光柵Czerny-Turner結(jié)構(gòu)而言，各元件的旋轉(zhuǎn)已不是可優(yōu)化變量，并且本設(shè)計(jì)方法所基于的相對孔徑和譜段范圍等也較大地優(yōu)于常規(guī)的Czerny-Turner結(jié)構(gòu),利用步驟(2)不能克服由于平面光柵帶來的像質(zhì)、色畸變和譜線彎曲等問題，所以一般還不能滿足使用的需要，還要根據(jù)探測器上色散維的寬度、空間維的寬度，譜線彎曲和光譜畸變的情況以及系統(tǒng)對成像像元質(zhì)量的要求進(jìn)一步對系統(tǒng)的各項(xiàng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。在設(shè)置反射鏡2為公式(I)所描述的自由曲面的前提下，將其前27項(xiàng)系數(shù)以及中心點(diǎn)曲率半徑、二次系數(shù)、光柵的刻線數(shù)、像面與光軸的傾斜角等設(shè)置為可變，對系統(tǒng)進(jìn)行進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使最終的設(shè)計(jì)能夠滿足系統(tǒng)的各項(xiàng)性能指標(biāo)的需求。在這里值得一提的是，如果狹縫的視場設(shè)置為沿X軸方向設(shè)置，即關(guān)于1Z平面對稱，那么自由曲面反射鏡也應(yīng)該關(guān)于yoz平面具有對稱性，所以對兩個(gè)自由曲面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，其X的指數(shù)為奇次的項(xiàng)的系數(shù)應(yīng)該設(shè)置為0，僅優(yōu)化X的指數(shù)為偶次的項(xiàng)的系數(shù)，這樣可以大大地提高軟件光線追跡的效率。
[0035]最后，根據(jù)以上的設(shè)計(jì)步驟，本專利以可見近紅外分光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)為實(shí)施例，根據(jù)表I的設(shè)計(jì)參數(shù)指標(biāo)給出了設(shè)計(jì)實(shí)例，闡述了本專利的可行性和實(shí)用性，分光系統(tǒng)中用到的自由曲面反射鏡2的各項(xiàng)系數(shù)如表2所示，系統(tǒng)的各元件參數(shù)設(shè)置如表3所示。在保證系統(tǒng)簡單性的前提下，各項(xiàng)指標(biāo)均達(dá)到國內(nèi)其他更為復(fù)雜構(gòu)型的光譜儀的相當(dāng)水平，譜線彎曲控制在1/8像元以內(nèi)，光譜畸變控制在1/2像元以內(nèi)。
[0036]表4
[0037]

I半徑/mn I間距/mn~|二次系數(shù)|其他狹縫I平面93.637 O
坐標(biāo)打斷O—Y軸偏心18.26mm
自由曲面 2 -104.287 -98.02 ~
光柵 3ψΜ98.02 O100 線對 /nun
自由曲面 2 -104.287 -98.02 ~
坐標(biāo)打斷6?71—X軸旋轉(zhuǎn)-15.61°
像面4平面一O
【權(quán)利要求】
1.一種基于單個(gè)自由曲面的成像光譜儀分光系統(tǒng)，它包括入射狹縫(I)、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(I)出射的光經(jīng)自由曲面反射鏡(2)準(zhǔn)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(shí)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(gè)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(hào)】G01J3/02GK203965040SQ201420312121
【公開日】2014年11月26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(xué)院上海技術(shù)物理研究所