CN103411673B - 基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪包括入射狭缝、准直光学系统、平面光栅、聚焦光学系统、阵列探测器。其准直光学系统与聚焦光学系统分别为同心离轴双反射系统，且共用相同光学参数。通过入射狭缝的出射光投射到准直光学系统中，经准直光学系统实现光束准直后投射到平面光栅上，从平面光栅上衍射的光束再次投射到聚焦光学系统中，经聚焦光学系统聚焦成像到阵列探测器上。本发明解决了传统平面光栅成像光谱仪彗差与像散难以同时校正的问题，可实现较高的光谱分辨力与成像分辨力。该成像光谱仪所有反射镜的光学面均为球面，且具有公共球心，不仅可以降低光学加工难度与加工成本，同时有利于工程光学的装调与测试。

Description

基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪

技术领域

本发明涉及成像光谱技术领域，尤其涉及光栅色散型成像光谱仪，具体涉及为基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪。

背景技术

成像光谱技术起源于上世纪80年代初期的多光谱遥感技术，是一种将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，它能够得到被探测目标的空间信息与光谱信息。由于其卓越的信息获取能力，在空间探测与地表观测中得到了广泛的应用，逐渐成为光学遥感探测的一个强有力手段。

光栅色散型成像光谱仪相对于其他类型的成像光谱仪具有光谱分辨力高、波段范围宽、、色散均匀、性能稳定的优点。改进的Czerny-Turner型光谱仪结构是应用较多的平面光栅成像光谱仪结构。虽然此结构的光谱仪可以得到较高的光谱分辨率。但是，Czerny-Turner型光谱仪结构本身的局限性造成了由其改进的成像光谱仪不会有很高的成像分辨率。即不能很好的同时校正彗差与像散。

发明内容

本发明为解决现有平面光栅成像光谱仪因不能同时校正彗差与像散导致光谱分辨与成像率分辨率不高的问题，提出一种基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪结构。

基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪包括：

（1）入射狭缝1，限定成像光谱仪系统的成像范围，其大小尺寸同时决定进入成像光谱仪系统能量的多少。狭缝宽度决定成像光谱仪光谱维的光谱带宽，即成像光谱仪的光谱分辨率；狭缝高度决定成像光谱仪成像维的视场角，即单幅光谱图像的成像范围。

（2）准直光学系统，由两块球面反射镜（一块凹面反射镜2，一块凸面反射镜3）组成的同心离轴反射系统。将通过入射狭缝的光准直并反射到平面光栅上。

（3）平面光栅4，是成像光谱仪系统的孔径光阑。对经过准直光学系统出射的复色平行光按波长不同色散为具有不同衍射角的单色平行光束组。

（4）聚焦光学系统，由两块球面反射镜（一块凸面反射镜5，一块凹面反射镜6）组成的同心离轴反射系统。将分光后的单色平行光束组分别聚焦至阵列探测器光敏面的不同位置处。

（5）阵列探测器7，采集光谱图像数据，将光信号转换为电信号。

相对于现有的改进型Czerny-Turner型成像光谱仪结构，基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪具有以下优势：

(a)成像光谱仪所有反射镜的光学面均为球面，保证光学加工难度与加工成本。

(b)成像光谱仪采用同心对称结构，四片反射镜具有公共球心，有利于光学装调与工程实现。

(c)成像光谱仪系统中的平面光栅工作于准直光环境，平面光栅单独不引入像散。

(d)准直光学系统与聚焦光学系统分别采用可消除像散的同心离轴双反射结构，保证成像光谱仪的成像分辨率；准直光学系统与聚焦光学系统相对于光栅中心与公共球心连线对称，实现彗差正负互补，保证成像光谱仪的光谱分辨率。

本发明提供了一种结构简单、加工成本低、易于装调、光谱分辨率与成像分辨率都较高的成像光谱系统。

附图说明

图1所示为同心离轴双反射系统结构示意图

图2所示为基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪结构图

图3所示为基于同心离轴双反射系统成像光谱仪光路图，图中：1为入射狭缝、2为准直光学系统中的主镜（对应同心离轴双反射系统的次镜）、3为准直光学系统中的次镜（对应同心离轴双反射系统的主镜）、4为平面光栅、5为聚焦光学系统中的主镜（对应同心离轴双反射系统的主镜）、6为聚焦光学系统中的次镜（对应同心离轴双反射系统的次镜）、7为阵列探测器。

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。

图3所示为根据本发明实施方式的成像光谱仪光路图。该成像光谱仪的光学系统包括：入射狭缝1、准直光学系统中的主镜2（对应同心离轴双反射系统的次镜）、准直光学系统中的次镜3（对应同心离轴双反射系统的主镜）、平面光栅4、聚焦光学系统中的主镜5（对应同心离轴双反射系统的主镜）、聚焦光学系统中的次镜6（对应同心离轴双反射系统的次镜）、阵列探测器7。

被观测物体置于狭缝1处（或被观测物体经前级望远系统所成的实像在狭缝1处）。物体或物体实像所发出的光线经过狭缝1，由准直光学系统主镜2与准直光学系统次镜3实现光束准直并反射至平面光栅4上，由平面光栅4进行分光，然后由聚焦光学系统主镜5与聚焦光学系统次镜6将光束聚焦在探测器7的光敏面上成像。

本发明在成像光谱仪的准直光路与聚焦光路中分别引入同心离轴双反射系统，替代现有Czerny-Turner型光谱仪结构中的准直反射镜与聚焦反射镜，实现光栅前光路准直与像面前光路聚焦的功能。同心离轴双反射系统结构的如图1所示，由其本身结构决定，主镜的曲率半径小于次镜的曲率半径(R_p<R_s)。且同心离轴双反射系统的消像散结构可通过公式(1)实现：

$\frac{1}{{\tan \mathrm{\&alpha;}}_p}+\frac{1}{\tan {\mathrm{\&alpha;}}_s}+\frac{1}{\tan \mathrm{\&omega;}}=0---\left(1\right)$

公式(1)中α_p为同心离轴双反射系统主光线在主镜上的入射角；α_s为同心离轴双反射系统主光线在次镜上的入射角，规定由光线转向法线，顺时针为正，逆时针为负。w为主光线度量下同心离轴双反射系统主镜法线与次镜法线的夹角，规定由主镜法线转向次镜法线，顺时针为正，逆时针为负。

基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪结构如图2所示。其中准直光学系统中主镜2（对应同心离轴双反射系统的次镜）的曲率半径等于聚焦光学系统中次镜6（对应同心离轴双反射系统的次镜）的曲率半径，即R₁=R₄；准直光学系统中的次镜3（对应同心离轴双反射系统的主镜）的曲率半径等于聚焦光学系统中的主镜5（对应同心离轴双反射系统的主镜）的曲率半径，即R₂=R₃。基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪采用同心对称结构。准直光学系统中产生的正（或负）彗差与聚焦光学系统中产生的负（或正）彗差相抵消。

如图2所示，根据成像光谱仪同心对称结构的要求，平面光栅存在相对于VC垂线的转角γ，规定由VC垂线位置转到光栅实际位置，顺时针为正，逆时针为负。其中VC为光栅中心与公共球心的连线。且γ满足公式(2)：

sin(γ-δ)+sin(γ+δ′)=mgλ        (2)

式(2)中的m为光栅衍射级；g为光栅刻线密度（光栅常数倒数）；δ为经过准直光学系统出射平行光与VC的夹角，δ′为经光栅衍射后衍射光与VC的夹角。

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，并且反射镜面型为球面或平面，未使用加工难度较大的二次或更高次曲面镜。

根据本实施方式，基于同心离双反射系统的成像光谱仪一个实施例如下，系统总体参数：

波段范围：200nm～400nm；

光栅刻线数：600lp/mm；

光谱分辨力：优于2.0nm；

焦距：35.7；

成像分辨力：30lp/mm处MTF优于0.5；

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”为主光线度量下本光学面到下一个光学面的距离；“通光半孔径”表示该光学元件的半口径大小；离轴角表示主光线在本光学面的入射角。长度的正负以从左向右为正，反之为负；角度正负定义，以成像维（即弧矢方向）为转轴，顺时针旋转为正，反之为负。

表1基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪结构参数

面型	曲率半径（mm）	到下面距离（mm）	通光半孔径（mm）	离轴角（°）
					狭缝	∞	260.7	3×0.3	-
准直光学系统主镜	-204.3	-127.2	36	7.746
					准直光学系统次镜	-80.3	40	8	-20
平面光栅	∞	-40	5.5	-
					聚焦光学系统主镜	-80.3	127.2	9	-20
聚焦光学系统次镜	-204.3	-263.5	44	7.746
					像面	∞	0	4.1	24.8

本说明书中所述的只是本发明的一种较佳具体实施例，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 (7)

1.基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪包括：

(1)入射狭缝(1)，限定成像光谱仪系统的成像范围，其大小尺寸同时决定进入成像光谱仪系统能量的多少，狭缝宽度决定成像光谱仪光谱维的光谱带宽，即成像光谱仪的光谱分辨率；狭缝高度决定成像光谱仪成像维的视场角，即单幅光谱图像的成像范围；

(2)准直光学系统，包括一块凹面反射镜(2)和一块凸面反射镜(3)，由这两块球面反射镜组成的同心离轴反射系统，将通过入射狭缝的光准直并反射到平面光栅上；

(3)平面光栅(4)，是成像光谱仪系统的孔径光阑，对经过准直光学系统出射的复色平行光按波长不同色散为具有不同衍射角的单色平行光束组；

(4)聚焦光学系统，包括一块凸面反射镜(5)和一块凹面反射镜(6)，由这两块球面反射镜组成的同心离轴反射系统，将分光后的单色平行光束组分别聚焦至阵列探测器光敏面的不同位置处；

(5)阵列探测器(7)，采集光谱图像数据，将光信号转换为电信号。

2.根据权利要求1所述的基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪，其特征在于：所有反射镜的光学面均为球面，两块凸面反射镜曲率半径一致，两块凹面反射镜曲率半径一致。

3.根据权利要求1所述的基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪，其特征在于：平面光栅工作于经准直光学系统准直反射后的平行光中，其本身不引入像散。

4.根据权利要求2所述的基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪，其特征在于：主光线度量下准直光学系统中凹面反射镜的入射角α1正切值的倒数、凸面反射镜的入射角α2正切值的倒数、凸面反射镜法线与凹面反射镜法线夹角w1正切值的倒数，三者之和为零；主光线度量下聚焦光学系统中凹面反射镜的入射角α4正切值的倒数、凸面反射镜的入射角α3正切值的倒数、凸面反射镜法线与凹面反射镜法线夹角w2正切值的倒数，三者之和也为零。

5.根据权利要求3或4所述的基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪，其特征在于：准直光学系统与聚焦光学系统分别实现消像散；同时准直光工作条件下的平面光栅不引入像散，该成像光谱仪系统全光路不引入像散。

6.根据权利要求2所述的基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪，其特征在于：四块球面反射镜具有公共球心，准直光学系统与聚焦光学系统相对于光栅中心与公共球心的连线对称，对称的光路结构实现彗差校正。

7.根据权利要求2所述的基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪，其特征在于：平面光栅相对于光栅中心与公共球心连线的垂线存在转角γ。