CN101963529A - 极远紫外扫描成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种极远紫外扫描成像光谱仪，包括光学系统、控制系统和探测器。光学系统包括扫描系统、望远系统、分光系统，扫描系统包括扫描反射镜，对来自目标的入射光线进行反射；望远系统包括，光阑，用于接收扫描反射镜的反射光，并选择一定视场角范围内的光进入光谱仪，和成像物镜，将来自光阑的光聚焦至分光系统的入射狭缝；分光系统，接收来自成像物镜的光，利用其中的光栅进行分光，同时还将分光后的光聚焦至成像探测器的光敏面处进行成像；光学系统中的各个光学元件除光阑和狭缝外均采用全反射式光学元件，所有反射元件均镀极远紫外反射膜。

Description

极远紫外扫描成像光谱仪

技术领域

本发明涉及光谱仪，尤其涉及极远紫外扫描成像光谱仪。

背景技术

成像光谱技术起源于上世纪70年代初期的多光谱遥感技术，并随着对地观测应用的需要而发展，是综合了成像技术和光谱技术的新兴领域。成像器获取目标的影像信息，追求高清晰度并研究其空间特性；光谱仪则把目标的辐射分离成不同波长的光谱辐射，追求高光谱分辨力，从而对目标进行测量和分析。这两种技术融合的结晶——成像光谱仪能够获取待测目标特定波段的高光谱图像，具有“图谱合一”的优势。

极远紫外成像光谱仪与一般光谱仪的主要不同点在于极远紫外波段的特殊性，极远紫外光是指波长50～200nm的辐射，属于真空紫外光(由于空气中的氧对于波长短于190nm的辐射几乎全部吸收，因而10～190nm的光谱区域一般成为真空紫外区域)范围，其最大特点是该波段的辐射在空气中因被强烈吸收而不能传播，并且能够透射极远紫外波段辐射的材料很少且难于制造和加工。

随着科学技术的发展，应用在极远紫外波段的需求越来越多，诸如空间天气的观测、生命科学、材料科学以及辐射度标准的建立等领域均对极远紫外辐射的检测提出了新的要求。极远紫外成像光谱仪能够同时满足提供单色光源(配合极远紫外光源使用)、检测光谱辐射强度、获得待测物的分光谱图像三大需求，因而越来越成为人们关注的重点。

发明内容

本发明的目的在于提供一种极远紫外光栅色散型扫描成像光谱仪。

根据本发明的极远紫外扫描成像光谱仪，包括光学系统、控制系统和探测器，光学系统包括扫描系统、望远系统、分光系统，

扫描系统包括扫描反射镜，对来自目标的入射光线进行反射；

望远系统包括，光阑，用于接收扫描反射镜的反射光，并选择一定视场角内的光进入光谱仪；成像物镜，将来自光阑的光聚焦至分光系统的入射狭缝；

分光系统，接收来自成像物镜的光，利用其中的光栅进行分光，同时还将分光后的光聚焦至探测器的光敏面处进行成像；

其中，光学系统中的各个光学元件除光阑和狭缝外均采用全反射式光学元件，所有反射元件均镀极远紫外反射膜。

其中，分光系统包括入射狭缝、准直物镜、平面光栅和聚焦物镜。

其中，分光系统包括入射狭缝和凹面平场光栅，其中，入射狭缝和探测器均位于凹面平场光栅所在的罗兰圆上。

其中，采用一块或者多块球面、离轴抛物面或非球面反射镜作为望远系统中的成像物镜。本领域技术人员可以根据需要对它们进行组合。

其中，采用球面反射镜或者超环面反射镜作为分光系统中的准直物镜和聚焦物镜。

其中，分光系统的通光孔径在10～150mm范围内；光谱维瞬时视场角在0.01°～2.0°范围内；扫描视场角在10°～130°范围内。

其中，分光系统的通光孔径在20～100mm范围内；光谱维瞬时视场角在0.1°～0.8°范围内。

其中，采用高纯度的铝作为极远紫外反射膜的镀膜材料，另外镀氟化镁保护膜或者氟化钙、氟化锂、碳化硅保护膜，使整个膜系在极远紫外波段有高反射率。

其中，控制系统由控制器控制电机完成扫描反射镜的旋转和狭缝的更换或尺寸调整。

在地面进行极远紫外目标光谱辐射测量时，必须使待测目标和光谱仪处于压强低于100Pa的真空环境中。极远紫外扫描成像光谱仪作为卫星载荷应用时，由于其工作环境处于地球电离层及其外层空间环境，不存在对极远紫外辐射的吸收作用，因而不需要将仪器置于真空腔中。

附图说明

图1所示为根据本发明的极远紫外扫描成像光谱仪的结构框图；

图2所示为根据本发明的极远紫外扫描成像光谱仪的扫描重建原理图；

图3所示为根据本发明实施方式一的光谱仪的光路系统的结构示意图；

图4所示为根据本发明实施方式二的光谱仪的光路系统的结构示意图；

图5所示为根据本发明实施方式三的光谱仪的光路系统的结构示意图；

(附图中各部件的尺寸和距离等并没有严格按照比例画出)。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。为了便于描述和突出显示本发明，附图中省略了现有技术中已有的相关部件，并将省略对这些公知部件的描述。

光谱仪包括安装在真空腔内的光学系统、控制系统和探测器三大部分，其中光学系统包括扫描系统、望远系统、分光系统三个部分，其结构如图1所示。

扫描系统由旋转台和扫描反射镜组成，可实现在光谱维方向上的光学扫描，具有精度高、重复性好的特点。其中扫描反射镜的孔径优选在20～400mm范围内。

望远系统包括光阑和成像物镜。光阑的作用是选择一定视场角内的光进入光谱仪，消除视场角外的杂散光；成像物镜将入射光束聚焦到分光系统的入射狭缝上，从而实现对待测目标的一次成像。成像物镜可以一块或者多块球面(离轴抛物面、非球面)反射镜，其通光孔径优选在10～200mm范围内。

分光系统包括入射狭缝、准直物镜、光栅、聚焦物镜等几部分。极远紫外辐射通过入射狭缝进入光谱仪的分光系统，经过准直物镜反射照到光栅上，光栅作为色散元件完成分光作用，再由聚焦物镜会聚成光谱图像。准直物镜和聚焦物镜可采用球面反射镜或超环面反射镜。当使用凹面光栅作为分光元件的时候，可以省略准直物镜和聚焦物镜，由凹面光栅直接将通过入射狭缝进入分光系统的辐射进行分光并成像在探测器接收面上。分光系统的通光孔径在10～200mm范围内，优选20～100mm；光谱维瞬时视场角在0.01°～2.0°范围内，优选0.1°～0.8°；扫描视场角在10°～150°范围内。

光谱仪的光学系统经过设计优化，校正了像散和场曲后，可以同时实现较高的光谱分辨力和成像分辨力。

由于极远紫外波段透射材料的稀缺和制备困难，极远紫外扫描成像光谱仪采用全反射式光学元件，所有反射元件均镀极远紫外反射膜。使用高纯度的铝作为镀膜材料，另外镀氟化镁保护膜或者氟化钙、氟化锂、碳化硅保护膜，使整个膜系在极远紫外波段有较高的反射效率。

控制系统由控制器控制电机完成扫描反射镜的旋转和狭缝的更换或尺寸调整，具有高精度、自动化的特点。

二维极远紫外探测器可以同时接收包含一维光谱信息和一维空间信息的光谱图像，通过对光谱维的扫描可以获得二维空间的光谱数据立方体，经过光谱重建最终得到待测目标的极远紫外波段高光谱图像，其扫描重建原理如图2所示。极远紫外扫描成像光谱仪使用CCD或者EMCCD或者ICCD作为探测器，在极远紫外波段有着较好响应效率和信噪比。

实施方式一

图3所示为根据本发明的实施方式一的光谱仪的结构示意图。该光谱仪的光学系统是基于切尔尼-特纳型光谱仪设计优化得到的，该光谱仪包括a)扫描反射镜1，b)光阑2，c)成像物镜3，d)入射狭缝4，e)准直物镜5，f)平面光栅6，g)聚焦物镜7，h)探测器8。

被扫描反射镜1反射的入射光线经光阑2后由成像物镜3反射聚焦至入射狭缝4，然后经由准直物镜5反射至平面光栅6上进行分光后由聚焦物镜7聚焦至探测器8的光敏面上成像。

设计思想如下：

通过像差理论分析可知，传统光谱仪的主要像差是像散，而像散极大的阻碍了成像光谱仪成像分辨力的提高。因此消除像散是优化传统光谱仪光路的首要像差。而对于传统光谱仪光路，其像散是由于光路中光学元件的离轴角造成的，离轴角越大像散就越大，因此减小离轴角是减小成像光谱仪像散的重要手段。另外，图3中2所代表的是消杂光光阑，其作用主要是对经扫描平面镜反射后进入成像光谱仪的光束的视场进行选择。光阑越长，对视场的选择就越精细。

鉴于以上能够提高成像光谱仪性能的两类途径，本发明与传统光谱仪光路的不同在于在不增大光路结构体积的条件下通过增大各个光学元件之间的距离提高了光路光谱分辨力。在保证扫描反射镜空间位置不与其他元件重叠基础上，将扫描反射镜与望远物镜之间的距离增大，减小了望远物镜的离轴角；同时由于准直物镜位于平面光栅远端，增大了准直物镜与光栅之间的距离，使得准直物镜在与其他光学元件空间位置互不重叠的基础上具有更小的离轴角。这种结构在不增大光学系统体积的前提下，极大地减小了各个光学元件之间的离轴角，从而减小了整个光学系统的像差，而且也能够增加光阑长度，提高光阑对视场选择的精度。另外，当光栅的入射光束不平行时也会产生像差，这样可以利用射入光栅的非平行光产生的像差来抵消成像光谱仪的剩余像差。因此，将准直物镜与狭缝之间距离参数作为光学设计的可变参量进行优化，得到一束具有一定发散或汇聚角的非平行光射入光栅(传统的光谱仪是平行光射入光栅的)。这种设计使得整个光学系统具有更多的优化变量，经过综合优化，使光谱仪的综合性能指标进一步提高。

本实施方案中的反射镜和光栅均为反射式光学元件，反射面镀高反射率膜，并且反射镜面型为平面或球面，未使用非球面镜。光阑2起到消除光谱仪视场角之外杂散光的作用，狭缝4则限制了进入分光系统的光束的大小，从而决定了光谱仪的光谱分辨力和成像分辨力。

此外，极远紫外扫描成像光谱仪还包括图3中未显示的控制系统，其功能是控制扫描反射镜的高精度转动、控制狭缝的更换或尺寸调整、控制探测器采集光谱图像。

下面对本实施方式的光谱仪中的各光学元件进行详细说明。实施方式二、三均为对实施方式一中分光系统的变形或简化，原理与其类似。

a)扫描反射镜1

扫描反射镜1使用平面反射镜，其作用是在光谱维方向上进行一维空间范围的线性扫描，使垂直狭缝方向(即光谱维方向)的待测目标逐列进入狭缝，经过分光系统完成分光和成像功能。对目标进行全视场扫描后形成光谱—图像数据立方体，进行光谱重建后就可以获得整个待测目标的高光谱图像。扫描反射镜1由高精度电控转台控制其转动角度和转动速度，具有较高的扫描和重复精度。

b)光阑2

光阑2的作用是限制进入光谱仪光束的孔径和视场角。使用轴对称结构的一级或多级光阑可以控制进入光谱仪光束的方向，消除视场角外的杂散光。极远紫外扫描成像光谱仪的光阑需要对极远紫外波段的辐射具有很低的反射率，以减小光阑表面反射引入的杂散光。

c)成像物镜3

成像物镜3的作用是将待测目标成像在光谱仪的入射狭缝4上，实现了光线的会聚和一次成像。由于光路非遮挡的要求，成像物镜的光轴与入射光束的光轴之间有一定夹角。一般使用球面反射镜或者离轴抛物面反射镜作为成像物镜，其中离轴抛物面反射镜有着更小的像差。

d)入射狭缝4

入射狭缝4的作用是限制进入光谱仪分光系统的光束大小，根据成像光谱仪原理，其宽度决定光谱仪的光谱分辨力，其高度决定光谱仪的成像维视场角，即单幅光谱图像的成像范围。本发明中的入射狭缝分为固定尺寸狭缝和连续可调狭缝两种。其中固定尺寸狭缝的宽度和高度为定值，可以通过机械结构控制更换狭缝；连续可调狭缝的宽度和高度是连续可调的，由特定的机械结构和控制电路对其进行控制。

e)准直物镜5

准直物镜5的主要作用是将通过入射狭缝进入光谱仪分光系统的光束反射到平面光栅6上。其面型可采用球面反射镜或者超环面反射镜或者非球面反射镜。

本实施方式中，经过准直物镜的光束不仅是平行光，也可以是发散光或者会聚光。另外，在使用凹面平场光栅的光谱仪结构中，不需要使用准直物镜，如实施方式二和三。

f)平面光栅6

光栅作为色散型光谱仪的分光元件，是整个光谱仪的核心元件。根据衍射光栅分光原理，不同波长的入射光反射角不同，从而实现光谱的色散。本实施方式中使用在极远紫外波段具有较高反射效率的平面全息光栅。

在该发明中，还可以使用凹面平场光栅作为分光元件，具体方式见实施方式二和三。

g)聚焦物镜7

聚焦物镜7的作用是将经过光栅6分光的极远紫外辐射聚焦到探测器的光敏面上，从而实现不同波长辐射的分光谱成像。其面型可采用凹球面反射镜或者超环面反射镜或者非球面反射镜。

当使用凹面平场光栅作为分光元件时，不需要使用聚焦物镜，如实施方式二和三。

h)探测器8

探测器8在极远紫外扫描成像光谱仪中的作用是采集光谱图像数据。其特点是在极远紫外波段具有较高的量子效率和较高的信噪比。一般使用无窗的二维面阵CCD或者EMCCD或者ICCD作为极远紫外探测器。二维极远紫外探测器可以同时接收包含一维光谱信息和一维空间信息的光谱图像，通过对光谱维的扫描可以获得二维空间的光谱数据立方体，经过光谱重建最终得到待测目标的极远紫外波段高光谱图像，其扫描重建原理如图2所示。

极远紫外扫描成像光谱仪应用在120nm～200nm的极远紫外波段。在该波段使用高纯度的铝作为镀膜材料，另外镀一定厚度的氟化镁保护膜或者氟化钙、氟化锂、碳化硅保护膜，使整个膜系在极远紫外波段有较高的反射效率。其镀膜要求极为严格，镀膜过程需要极高的真空度和极快的镀膜速度，同时保护膜的厚度要满足对极远紫外波段辐射的反射率干涉加强的要求。

根据本实施方式给出了成像光谱仪具体实施例，实施例技术参数如下：

1)波段范围：50nm～200nm；

2)光栅刻线数：1200lp/mm；

3)光谱分辨力：优于1.0nm；

4)焦距：200mm；

5)成像分辨力：3lp/mm；

6)瞬时视场：0.1°

成像光谱仪光学系统中各光学元件的具体光学参数如表1所示。表格中“面型”表示各个面的名称；“曲率半径”为各个光学曲面的半径大小；“到下面的距离”为本光学面到下一个光学面的距离；“通光孔径”表示该光学元件的半口径大小；离轴角表示该面与前一面之间的旋转角。长度的正负以从左向右为正，反之为负；角度的正负以沿成像方向(即弧矢方向)顺时针旋转为正，反之为负。

                 表1 极远紫外扫描成像光谱仪光学系统参数1

面型	曲率半径(mm)	到下面距离(mm)	通光孔径(mm)	离轴角(°)
					物面	∞	∞	∞	0

扫描镜	∞	-450.00	20.07	-7.5
					成像物镜	500	249.00	23.48	4.4
狭缝	∞	220.42	5.33	0
					准直物镜	-500	-430.00	18.94	-3.9
衍射光栅	∞	140.00	29.88	-25
					聚焦物镜	-385.5	-212.00	35.01	-8.12
像面	∞	0	9.91	0

实施方式二

图4所示为根据本发明的实施方式二的光谱仪的光学系统的结构示意图。该光谱仪的光学系统包括扫描反射镜11、光阑12、成像物镜13、狭缝14、凹面平场光栅15和探测器16。被扫描反射镜11反射的入射光线经光阑12后由成像物镜13反射聚焦至入射狭缝14，然后由凹面平场光栅15进行分光后聚焦至探测器8的光敏面上成像。该结构使用凹面平场光栅作为分光元件，凹面平场光栅作为一种特殊的光学元件，可以实现平面光栅、准直物镜和聚焦物镜三者的功能。如图5所示，入射狭缝14和探测器16均位于凹面平场光栅15所在的罗兰圆上(图4中并未示出罗兰圆)。进入入射狭缝14的光束经过凹面平场光栅15分光后，直接在探测器16的光敏面上成像，且成像面为平面。这个结构省去了准直物镜和聚焦物镜，大大简化了结构、减小了体积、降低了重量，具有很高的实际应用价值。

根据本实施方式给出了成像光谱仪具体实施例，实施例技术参数如下：

1)波段范围：50nm～200nm：

2)光栅刻线数：1200lp/mm；

3)光谱分辨力：优于1.0nm；

4)焦距：190.22mm；

5)成像分辨力：3lp/mm；

6)瞬时视场：0.8°

           表3 极远紫外扫描成像光谱仪光学系统参数2

实施方式三

图5所示为根据本发明的实施方式三的光谱仪的光学系统的结构示意图。本实施方式是对实施方式二的结构的一种变形，该系统包括扫描反射镜21、光阑22、超环面反射镜23、狭缝24、凹面平场光栅25和探测器26。该结构中仍然使用凹面平场光栅作为分光元件，其原理与实施方式二类似，其特点是采用掠入射的方式，即入射角大于80°。在极远紫外波段，大入射角时的反射率更高，因而使用很大的入射角，入射狭缝和探测器光敏面均位于凹面平场光栅所在的罗兰圆上。这种光路结构简单，且在极远紫外波段的效率更高。

本说明书中所述的只是本发明的几种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (9)

1.一种极远紫外扫描成像光谱仪，包括光学系统、控制系统和探测器，光学系统包括扫描系统、望远系统、分光系统，

扫描系统包括扫描反射镜，对来自目标的入射光线进行反射；

望远系统包括，光阑，用于接收扫描反射镜的反射光，并选择一定视场角内的光进入光谱仪；成像物镜，将来自光阑的光聚焦至分光系统的入射狭缝；

分光系统，接收来自成像物镜的光，利用其中的光栅进行分光，同时还将分光后的光聚焦至探测器的光敏面处进行成像；

其特征在于，光学系统中的各个光学元件除光阑和狭缝外均采用全反射式光学元件，所有反射元件均镀极远紫外反射膜。

2.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，分光系统包括入射狭缝、准直物镜、平面光栅和聚焦物镜。

3.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，分光系统包括入射狭缝和凹面平场光栅，其中，入射狭缝和探测器均位于凹面平场光栅所在的罗兰圆上。

4.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，采用一块或者多块球面、离轴抛物面或非球面反射镜作为望远系统中的成像物镜。

5.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，采用球面反射镜或者超环面反射镜作为分光系统中的准直物镜和聚焦物镜。

6.根据权利要求1所述的光谱仪，其特征在于，分光系统的通光孔径在10～150mm范围内；光谱维瞬时视场角在0.01°～2.0°范围内；扫描视场角在10°～130°范围内。

7.根据权利要求6所述的光谱仪，其特征在于，分光系统的通光孔径在20～100mm范围内；光谱维瞬时视场角在0.1°～0.8°范围内。

8.根据权利要求6或7所述的光谱仪，其特征在于，采用高纯度的铝作为极远紫外反射膜的镀膜材料，另外镀氟化镁保护膜或者氟化钙、氟化锂、碳化硅保护膜，使整个膜系在极远紫外波段有高反射率。

9.根据权利要求8所述的光谱仪，其特征在于，控制系统由控制器控制电机完成扫描反射镜的旋转和狭缝的更换或尺寸调整。

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