CN203965040U - 基于单个自由曲面的成像光谱仪分光*** - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种基于单个自由曲面的成像光谱仪分光***，***由入射狭缝，自由曲面反射镜，平面闪耀光栅以及像面组成。本专利的特点在于两次使用一个非旋转对称的自由曲面反射镜分别充当准直镜和成像镜，配以高性能且加工工艺成熟的平面闪耀光栅，实现结构简单、紧凑，小像差、低畸变、高效率的光谱仪分光***。本专利基于单个自由曲面的成像光谱仪分光***的实施例在400-1000nm的可见近红外谱段实现了较好的光谱成像，在保证***简单、紧凑的前提下，较好地校正了球差、彗差、像散、光谱畸变和谱线弯曲等。本专利可以应用于航天、航空的高光谱成像领域。

Description

基于单个自由曲面的成像光谱仪分光***

技术领域

本专利属于成像光谱仪设计领域，具体涉及一种新型的基于单个自由曲面和平面闪耀光栅的成像光谱仪分光***的光学设计，本专利的实施例谱段在可见近红外，它也适用于短波红外以及热红外等其他谱段的光谱成像***分光组件的设计。

背景技术

成像光谱仪是成像技术和光谱技术的有机结合，它能同时获取目标的二维空间信息和一维光谱信息，形成数据立方，被广泛地用于社会生产、军事活动、宇宙和天文探测以及航空航天遥感等诸多领域。其光学***一般由前置望远镜***和光谱分光***组成，而分光***决定着成像光谱仪的基本性能，是革新常规光谱仪的关键，因为分光***直接影响着整个成像光谱仪的性能、结构的复杂程度、重量和体积。在众多的分光方式中，光栅衍射分光因为其结构无动部件、技术成熟、性能高、线性好、具有宽的光谱范围和高的分辨率而成为了现行成像光谱仪主流的分光手段。国际上广泛应用的光栅分光***的主要形式有：采用凸面光栅的Offner结构、采用凹面光栅的Dyson结构、采用平面光栅的Czerny-Turner结构等，还有一些采用光栅和棱镜组合的分光结构。

Offner结构为全反射式，不受波段限制，其分光组件为凸面光栅，结构简单紧凑；Dyson结构采用透射式，可以实现较大的相对孔径和小的体积，其分光组件为凹面光栅。相对平面光栅而言，这两种光栅发展使用较晚，其加工、检测等技术相对不成熟、制造难、成本高、设计局限性大。

平面光栅作为一种加工制作工艺成熟、成本较低、获取渠道相对畅通的分光组件，是现在最为普遍应用的分光组件。但是相对于凸面光栅和凹面光栅而言，采用平面光栅分光的Czerny-Turner结构受像差校正的限制，难以实现大的相对孔径，并且随着狭缝变长所导致的色畸变和谱线弯曲也增长剧烈，存在像差校正能力较差、分辨率较低的问题。为了弥补这些缺陷和校正各种像差，基于平面光栅的Czerny-Turner结构经常用于小像差大F数的光谱成像***，并且为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转和偏心，对设计、装调的要求较高，研制周期较长。

另外，其它基于平面光栅的光谱仪分光***则一般通过增加元部件的方式来增加平衡***的自由度，***较为复杂，需要引入多组透镜或者棱镜，每一个棱镜或者透镜的微小倾斜和偏心都会给***的图像质量带来严重的影响，必然导致整个***的装调和测试困难，研制周期长和研制成本高等。此外光线要经过多次折射和反射才能达到探测器，每次折射和反射都带来光能的损失，必然会导致***光能利用率低。

针对以上的问题，专利201410120502.8提出了一种基于自由曲面的光谱仪分光***，分别利用一个自由曲面充当准直镜和成像镜，实现基于两个自由曲面的平面光栅光谱仪分光***的设计。

发明内容

综以上所述，本专利的主要目的是在专利201410120502.8的基础上，以两次利用同一个自由曲面反射镜分别充当准直镜和成像镜的形式代替原有的两个自由曲面反射镜，在不影响***性能的前提下，减少***的元件数量，简化***的结构，降低***的成本。该***在元件数量更少、结构更简单、紧凑，装调更容易的同时能实现小像差、低畸变和高效率。

本专利的***为全反射式，仅仅利用视场的离轴来达到避免遮拦的目的，各光学元件之间不存在相对的角度旋转。***利用一个自由曲面反射镜代替传统平面光栅分光***中由多组透镜组成的准直镜和成像镜，通过两次使用自由曲面反射镜，分别实现准直和成像，并且基于自由曲面光学元件大的自由度和非旋转对称性，能很好地校正多种离轴像差和非旋转对称像差等优点，以达到提高光谱仪分光***成像质量、简化***的设计，降低***的装调难度，减小光谱仪器的体积、自重的目的。

本专利的分光***结构如附图1所示，它包括入射狭缝1、自由曲面反射镜2、平面闪耀光栅3以及像面4。入射狭缝1位于前望远镜的焦面上，是前望远镜无穷远目标的像；自由曲面反射镜2两次使用，分别充当准直镜和成像镜；光栅3是平面闪耀光栅，是***的孔径光阑，自由曲面反射镜2和平面闪耀光栅3二者共轴，并且不存在任何的相对角度旋转。从入射狭缝1发出的光经自由曲面反射镜2反射至平面闪耀光栅3，经平面闪耀光栅3衍射分光后的光被重新反射至自由曲面反射镜2，最后由自由曲面反射镜2反射成像至安放有探测器的像面4上。

自由曲面反射镜2为非旋转对称的自由曲面，其表达式为公式(1)所示，其中：c为中心点的曲率，k为二次系数，C₁-C₂₇为各项系数，(x,y,z)为自由曲面上各点的坐标。

$\begin{array}{c}z(x,y)=\frac{c(y^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)\left((x^2+y^2)c^2\right)}}+\\ C_{1}x+C_{2}y+\\ C_3{x}^2+C_4\mathrm{xy}+C_5{y}^2+\\ C_6{x}^3+C_7{x}^{2}y+C_{8}x{y}^2+C_9{y}^3+\\ C_{10}{x}^4+C_{11}{x}^{4}y+C_{12}{x}^2{y}^2+C_{13}x{y}^3+C_{14}{y}^4+\\ C_{15}{x}^5+C_{16}{x}^{4}y+C_{17}{x}^3{y}^2+C_{18}{x}^2{y}^3+C_{19}x{y}^4+C_{20}{y}^5+\\ C_{21}{x}^6+C_{22}{x}^{5}y+C_{23}{x}^4{y}^2+C_{24}{x}^3{y}^3+C_{25}{x}^2{y}^4+C_{26}x{y}^5+C_{27}{y}^6\end{array}---\left(1\right)$

以可见近红外谱段(0.4μm-1μm)的分光***为设计实例，阐述了本专利的可行性和实用性。设计实例的参数指标如表1所示，在保证***简单性的前提下，各项指标均达到利用凸面或者凹面光栅的分光***相当的水平。自由曲面反射镜2的各项系数如表2所示，值得一提的是，现有的金刚石单点车削技术水平下，本专利中提到的自由曲面以铜或者铝金属作为材料的前提下，其加工精度可达1/4λ632.8nm，本***的公差分析表明，这一加工精度可以满足***的公差要求，当本专利的方法用于短波红外或者热红外谱段时，对自由曲面加工精度的要求能够适当的降低，所以在现有加工条件下，能够保证本专利中用到的自由曲面的加工。

表1

本专利的有益效果是：***使用工艺成熟、成本较低、性能优良且获取渠道畅通的分光元件平面闪耀光栅配以非旋转对称的自由曲面反射镜，实现小像差、低畸变、高效率的分光***；***元件数量少，减少了由于多次反射或者折射造成的光能损失，结构简单、紧凑；***中各光学元件(除像面4外)之间不存在相对的角度旋转，且两个关键光学元件(自由曲面反射镜2、平面闪耀光栅3)共轴设置，这很大程度地减小了装调的难度，大大地缩短了研制的周期；最后本专利利用自由曲面简化***结构的前提下，保证了***了性能。

表2

C1

C2

C3

C4

C5

C6

C7

0

-8.357e-6

2.1118e-3

0

2.0933e-3

0

1.698e-6

C8

C9

C10

C11

C12

C13

C14

0

1.410e-6

-2.454e-9

0

-1.224e-8

0

1.914e-9

C15

C16

C17

C18

C19

C20

C21

0

-3.020e-10

0

-1.484e-9

0

-3.244e-10

2.088e-12

C22

C23

C24

C25

C26

C27

0

8.480e-12

0

1.863e-11

0

1.324e-12

附图说明

图1是分光***的结构示意图。

图2是0视场，±0.5视场和±1视场的点列图RMS半径随波长的变化。

图3是短波限0.4μm、中心波长0.7μm和长波限1μm下的点列图RMS半径随视场的变化。

图4-6分别是短波限0.4μm、中心波长0.7μm和长波限1μm下的传递函数曲线。

图7为***的谱线弯曲曲线。

图8为***的光谱畸变曲线，各视场的光谱畸变以中心波长为参考。

图9是短波限、中心波长和长波限偏移±1.6nm的光谱成像示意图，从左至右分别为0视场、0.2视场、0.4视场、0.6视场、0.8视场、1视场。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本专利作进一步的详细说明：

如图1所示，本专利的光谱仪分光***以高性能、结构简单的凸面光栅Offner结构和基于平面光栅的Czerny-Turner结构为设计原型，取其二者的优点，避其缺点，实现在元器件数量较少以及***结构简单性前提下的高性能分光。分光***包括狭缝1、自由曲面反射镜2、平面闪耀光栅3以及像面4。狭缝1为前望远物镜的焦面，来自远处目标的入射光束经过望远镜成像于狭缝1，作为分光***的物平面；自由曲面反射镜2两次利用，分别充当准直镜和成像镜，经过狭缝的光束被自由曲面反射镜2准直后入射到平面闪耀光栅3上进行衍射色散分光，不同波长的光经过平面闪耀光栅3衍射后以不同的出射角出射，重新经过自由曲面反射镜2反射成像在像面4的不同位置上，实现光谱成像。

分光***的设计步骤为：

(1)、***的初始结构计算，反射镜2和平面闪耀光栅共轴设置，反射镜2两次利用，这样既可以避免二次衍射与多次衍射，同时又方便反射镜的装调与加工。为了消球差，根据瑞利判据，反射镜2的曲率半径需满足公式(2)所示。其中，D为反射镜的直径，r为反射镜的曲率半径，F为***的F数

$\frac{{(D/2)}^4}{8r^4}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{4}\⇒f=r/2\≤256\mathrm{\λ}{F}^4---\left(2\right)$

相应地，狭缝到反射镜2的距离为r/2，反射镜2到像面的距离为-r/2，同时类似Offner的结构形式，对狭缝1设定一个相对于y轴的离轴量，以避免光线的遮拦，这时可以大致地得到光栅的入射角i和衍射角θ，同时依据光栅的色散方程，如公式(3)所示，可以根据中心波长、入射角和衍射角等大致计算光栅每毫米的刻线数1/d。

d(sini-sinθ)＝mλ_B    (3)

(2)、显然以上的初始结构并不能得到很好的光谱成像质量，接下来设置反射镜2曲率半径、各元件之间的距离、离轴量和光栅的刻线数等为变量，并且初步调整这些变量，注意控制光线的遮拦(可通过设置虚拟表面的形式，控制光线在虚拟表面上的坐标值)，经过反复的计算和优化，使设计的结果逐步地接近***的设计技术指标。

(3)、步骤(2)的优化变量十分有限，相对于传统的平面光栅Czerny-Turner结构而言，各元件的旋转已不是可优化变量，并且本设计方法所基于的相对孔径和谱段范围等也较大地优于常规的Czerny-Turner结构，利用步骤(2)不能克服由于平面光栅带来的像质、色畸变和谱线弯曲等问题，所以一般还不能满足使用的需要，还要根据探测器上色散维的宽度、空间维的宽度，谱线弯曲和光谱畸变的情况以及***对成像像元质量的要求进一步对***的各项参数进行优化。在设置反射镜2为公式(1)所描述的自由曲面的前提下，将其前27项系数以及中心点曲率半径、二次系数、光栅的刻线数、像面与光轴的倾斜角等设置为可变，对***进行进一步的优化设计，使最终的设计能够满足***的各项性能指标的需求。在这里值得一提的是，如果狭缝的视场设置为沿x轴方向设置，即关于yoz平面对称，那么自由曲面反射镜也应该关于yoz平面具有对称性，所以对两个自由曲面进行优化设计时，其x的指数为奇次的项的系数应该设置为0，仅优化x的指数为偶次的项的系数，这样可以大大地提高软件光线追迹的效率。

最后，根据以上的设计步骤，本专利以可见近红外分光***的设计为实施例，根据表1的设计参数指标给出了设计实例，阐述了本专利的可行性和实用性，分光***中用到的自由曲面反射镜2的各项系数如表2所示，***的各元件参数设置如表3所示。在保证***简单性的前提下，各项指标均达到国内其他更为复杂构型的光谱仪的相当水平，谱线弯曲控制在1/8像元以内，光谱畸变控制在1/2像元以内。

表4

类型	半径/mm	间距/mm	二次系数	其他
					狭缝1	平面	93.637	0
坐标打断		0	—	Y轴偏心18.26mm
					自由曲面2	-104.287	-98.02	-1
光栅3	平面	98.02	0	100线对/mm
					自由曲面2	-104.287	-98.02	-1
坐标打断		6.71	—	X轴旋转-15.61°
					像面4	平面	—	0

Claims (2)

1.一种基于单个自由曲面的成像光谱仪分光***，它包括入射狭缝(1)、自由曲面反射镜(2)、平面闪耀光栅(3)和像面(4)，其特征在于：从入射狭缝(1)出射的光经自由曲面反射镜(2)准直反射至平面闪耀光栅(3)，经平面闪耀光栅(3)衍射分光后被重新反射至自由曲面反射镜(2)，最后经自由曲面反射镜(2)反射至像面(4)的上实现光谱成像。

2.根据权利要求1所述的一种基于单个自由曲面的成像光谱仪分光***，其特征在于：所述的自由曲面反射镜(2)为非旋转对称的自由曲面反射镜。