以光柵為分界的成像光譜儀制造技術

以光柵為分界的成像光譜儀包括望遠鏡系統、平面光柵、聚焦系統、陣列探測器。其望遠鏡系統為雙拋物面反射鏡系統，聚焦系統為同心離軸雙反射系統。平行光入射到望遠鏡系統，再平行出射后投射到平面光柵上，從平面光柵上衍射的光束再次投射到聚焦光學系統中，經聚焦光學系統聚焦成像到陣列探測器上。本發明專利技術將傳統平面光柵成像光譜儀的前置物鏡和準直光學系統結合在一起，減少了成像光譜儀鏡片數目，提高光能利用率，降低光學加工成本。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及成像光譜
，尤其涉及光柵色散型成像光譜儀，具體涉及為以 光柵為分界的成像光譜儀。
技術介紹
成像光譜技術起源于上世紀80年代初期的多光譜遙感技術，是一種將成像技術 和光譜技術相結合的新型多維信息獲取技術，它能夠得到被探測目標的空間信息與光譜信 息。由于其卓越的信息獲取能力，在空間探測與地表觀測中得到了廣泛的應用，逐漸成為光 學遙感探測的一個強有力手段。 光柵色散型成像光譜儀光柵色散型成像光譜儀相對于其他類型的成像光譜儀具 有光譜分辨力高、波段范圍寬、色散均勾、性能穩定的優點。改進的Czerny-Turner型光譜 儀結構是應用較多的平面光柵成像光譜儀結構，由前置物鏡、準直光學系統、光柵、聚焦光 學系統和探測器組成，該結構是以狹縫為分界，將成像光譜儀分為前置物鏡和光譜儀系統， 如圖1所示。使用光學元件的數目較多，不能得到高的光能利用率，且由于其本身的局限 性，成像分辨率也較低，即不能很好的同時校正彗差與像散。
技術實現思路
本專利技術提出了一種以光柵為分界的成像光譜儀結構，該結構是以光柵為分界，將 光柵前的前置物鏡、狹縫和準直光學系統結合在一起，即望遠鏡系統，光柵后的聚焦光學系 統和探測器結合在一起，看作成像系統，這樣成像光譜儀分為望遠鏡系統和成像系統，如圖 2所示。該結構不僅減少光學元件數目，提高光能利用率，同時由于光柵前后級都能夠獨立 校正像散，光柵不引入像散，也不傳遞像散，簡化了像差校正的計算過程，減低設計難度。 以光柵為分界的成像光譜儀包括： (1)望遠鏡系統，由兩塊拋物面反射鏡（反射鏡1，反射鏡3)和狹縫2組成的雙拋 物面望遠鏡。限定成像光譜儀的成像范圍，決定進入成像光譜儀系統能量，同時實現光束準 直。 (2)平面光柵4,是成像光譜儀系統的孔徑光闌。對經過望遠鏡系統出射的復色平 行光按波長不同色散為具有不同衍射角的單色平行光束組。 (3)聚焦光學系統，由兩塊球面反射鏡（一塊凸面反射鏡5, 一塊凹面反射鏡6)組 成的同心離軸反射系統。將分光后的單色平行光束組分別聚焦至陣列探測器光敏面的不同 位置處。 (4)陣列探測器7,采集光譜圖像數據，將光信號轉換為電信號。 相對于現有的以狹縫為分界的成像光譜儀結構，以光柵為分界的成像光譜儀具有 以下優勢： (a)成像光譜儀將前置物鏡、狹縫和準直光學系統合并設計，即消除了像差，又減 少了光學元件數目，保證了光能利用率和光學加工成本。 (b)成像光譜儀采用同心對稱結構，聚焦光學系統兩片反射鏡具有公共球心，有利 于光學裝調與工程實現。 (c)成像光譜儀系統中的平面光柵工作于準直光環境，平面光柵單獨不引入像散。 (d)望遠鏡系統與聚焦光學系統分別采用可消除像散光學結構，保證成像光譜儀 的成像分辨率。 (e)望遠鏡系統出射的平行光到光柵的距離是不固定的，可根據實際結構改變，利 用成像光譜儀的設計與裝配。 本專利技術提供了 一種結構簡單、加工成本低、易于裝調、光譜分辨率與成像分辨率都 較高的成像光譜系統?！靖綀D說明】 圖1所示為以狹縫為分界的成像光譜儀組成 圖2所示為以光柵為分界的成像光譜儀組成 圖3所示為雙拋物面反射鏡系統結構示意圖 圖4所示為同心離軸雙反射系統結構示意圖 圖5所示為基于同心離軸雙反射系統的成像光譜儀結構圖 圖6所示為基于同心離軸雙反射系統成像光譜儀光路圖，圖中：1為望遠鏡系統中 的主鏡（對應望遠鏡系統的次鏡）、2狹縫、3為望遠鏡系統中的次鏡（對應望遠鏡系統的主 鏡）、4為平面光柵、5為聚焦光學系統中的主鏡（對應同心離軸雙反射系統的主鏡）、6為聚 焦光學系統中的次鏡（對應同心離軸雙反射系統的次鏡）、7為陣列探測器?！揪唧w實施方式】 下面，結合附圖詳細描述根據本專利技術的優選實施例。 圖6所示為根據本專利技術實施方式的成像光譜儀光路圖。該成像光譜儀的光學系統 包括：望遠鏡系統中的主鏡1 (對應望遠鏡系統的第一面鏡）、狹縫2、望遠鏡系統中的次鏡 3(對應望遠鏡系統的第二面鏡）、平面光柵4、聚焦光學系統中的主鏡5(對應同心離軸雙反 射系統的主鏡）、聚焦光學系統中的次鏡6 (對應同心離軸雙反射系統的次鏡）、陣列探測器 1。 被觀測物體置于望遠鏡系統中的主鏡1前。物體或物體實像所發出的光線到達望 遠鏡系統中的主鏡1，經過狹縫2,到達望遠鏡系統中的次鏡3實現平行光出射并進入平面 光柵4,由平面光柵4進行分光，然后由聚焦光學系統主鏡5與聚焦光學系統次鏡6將光束 聚焦在探測器7的光敏面上成像。 本專利技術在成像光譜儀的望遠鏡系統中引入雙拋物面望遠鏡，代替傳統成像光譜儀 的前置物鏡和準直光學系統，實現限制光束口徑和光柵前光路準直的功能。雙拋物面望遠 鏡結構如圖3所示。根據望遠鏡的結構要求，望遠鏡的視放大率需要小于或等于1，因此主 鏡的曲率半徑小于或等于次鏡的曲率半徑（RP1<RP2)。 本專利技術在成像光譜儀的聚焦光路中引入同心離軸雙反射系統，實現像面前光路聚 焦的功能。同心離軸雙反射系統結構的如圖2所示，由其本身結構決定，主鏡的曲率半徑小 于次鏡的曲率半徑（Rp<Rs)。且同心離軸雙反射系統的消像散結構可通過公式（1)實現：公式（1)中ap為同心離軸雙反射系統主光線在主鏡上的入射角；as為同心離軸 雙反射系統主光線在次鏡上的入射角，規定由光線轉向法線，順時針為正，逆時針為負。w為 主光線度量下同心離軸雙反射系統主鏡法線與次鏡法線的夾角，規定由主鏡法線轉向次鏡 法線，順時針為正，逆時針為負。 以光柵為分界的成像光譜儀結構如圖5所示。其望遠鏡中主鏡1 (對應望遠鏡系 統的第一面鏡）和次鏡3(對應望遠鏡系統的第二面鏡）具有相同的曲率中心，且為了解決 望遠鏡中光線遮擋的問題，將拋物面反射鏡離軸放置；聚焦光學系統中主鏡5(對應同心離 軸雙反射系統的主鏡）和次鏡6 (對應同心尚軸雙反射系統的次鏡）具有相同的曲率中心。 望遠鏡和聚焦光學系統能夠獨立校正像散。如圖6所示，根據成像光譜儀同心結構的要求， 平面光柵的法線存在相對于M0的轉角Y，規定由M0位置轉到光柵法線實際位置，順時針為 正，逆時針為負。其中M0為光柵中心與公共球心的連線。且Y滿足公式（2):sin(y- 5 )+sin(y+ 5 '）=mg入 （2)式（2)中的m為光柵衍射級；g為光柵刻線密度（光柵常數倒數）；S為經過準直 光學系統出射平行光與M0的夾角，S'為經光柵衍射后衍射光與M0的夾角。 本實施方案中的反射鏡和光柵均為反射式光學元件，反射面鍍高反射率膜，望遠 鏡的反射鏡面型為拋物面，聚焦光學系統的反射鏡面型為球面，加工難度不大。根據本實 施方式，以光柵為分界的成像光譜儀一個實施例如下，系統總體參數：波段范圍：240nm~ 360nm；光柵刻線數：6001p/mm; 光譜分辨力：優于1. 4nm;焦距：109mm; 成像分辨力：301p/mm處MTF優于0? 4; 光學系統中各光學元件的具體光學參數如表1所示。表格中"面型"表示各個面 的名稱；"曲率半徑"為各個光學曲面的半徑大?。?到下面的距離"為主光線度量下本光學 面到下一個光學面的距離；"通光半孔徑"表示該光學元件的半口徑大?。浑x軸角表示主光 線在本光學面的入射角。長度的正負以從左向右為正，反之為負；角度正負定義，以成像維 本文檔來自技高網...

【技術保護點】
以光柵為分界的成像光譜儀包括：(1)望遠鏡系統，包括拋物面反射鏡(1)、拋物面反射鏡反射鏡(3)和狹縫(2)，由這三部分組成的雙拋物面望遠鏡系統，限定了成像光譜儀的成像范圍，并決定進入成像光譜儀系統的能量，同時實現光束準直；(2)平面光柵(4)，是成像光譜儀系統的孔徑光闌，對經過望遠鏡系統出射的復色平行光按波長不同色散為具有不同衍射角的單色平行光束組；(3)聚焦光學系統，包括一塊凸面反射鏡(5)和一塊凹面反射鏡(6)，由這兩塊球面反射鏡組成的同心離軸反射系統，將分光后的單色平行光束組分別聚焦至陣列探測器光敏面的不同位置處；(4)陣列探測器(7)，采集光譜圖像數據，將光信號轉換為電信號。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：唐義，李飛，
申請(專利權)人：北京豐通豐創光電科技有限責任公司，
類型：發明
國別省市：北京;11