CN105004421A - 以光栅为分界的成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

以光栅为分界的成像光谱仪包括望远镜系统、平面光栅、聚焦系统、阵列探测器。其望远镜系统为双抛物面反射镜系统，聚焦系统为同心离轴双反射系统。平行光入射到望远镜系统，再平行出射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。本发明将传统平面光栅成像光谱仪的前置物镜和准直光学系统结合在一起，减少了成像光谱仪镜片数目，提高光能利用率，降低光学加工成本。

Description

以光栅为分界的成像光谱仪

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，具体涉及为以光栅为分界的成像光谱仪。

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，由前置物镜、准直光学系统、光栅、聚焦光学系统和探测器组成，该结构是以狭缝为分界，将成像光谱仪分为前置物镜和光谱仪系统，如图1所示。使用光学元件的数目较多，不能得到高的光能利用率，且由于其本身的局限性，成像分辨率也较低，即不能很好的同时校正彗差与像散。

发明内容

本发明提出了一种以光栅为分界的成像光谱仪结构，该结构是以光栅为分界，将光栅前的前置物镜、狭缝和准直光学系统结合在一起，即望远镜系统，光栅后的聚焦光学系统和探测器结合在一起，看作成像系统，这样成像光谱仪分为望远镜系统和成像系统，如图2所示。该结构不仅减少光学元件数目，提高光能利用率，同时由于光栅前后级都能够独立校正像散，光栅不引入像散，也不传递像散，简化了像差校正的计算过程，减低设计难度。

以光栅为分界的成像光谱仪包括：

(1)望远镜系统，由两块抛物面反射镜(反射镜1，反射镜3)和狭缝2组成的双抛物面望远镜。限定成像光谱仪的成像范围，决定进入成像光谱仪系统能量，同时实现光束准直。

(2)平面光栅4，是成像光谱仪系统的孔径光阑。对经过望远镜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。

(3)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。

(4)阵列探测器7，采集光谱图像数据，将光信号转换为电信号。

相对于现有的以狭缝为分界的成像光谱仪结构，以光栅为分界的成像光谱仪具有以下优势：

(a)成像光谱仪将前置物镜、狭缝和准直光学系统合并设计，即消除了像差，又减少了光学元件数目，保证了光能利用率和光学加工成本。

(b)成像光谱仪采用同心对称结构，聚焦光学系统两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)望远镜系统与聚焦光学系统分别采用可消除像散光学结构，保证成像光谱仪的成像分辨率。

(e)望远镜系统出射的平行光到光栅的距离是不固定的，可根据实际结构改变，利用成像光谱仪的设计与装配。

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所示为以狭缝为分界的成像光谱仪组成

图2所示为以光栅为分界的成像光谱仪组成

图3所示为双抛物面反射镜系统结构示意图

图4所示为同心离轴双反射系统结构示意图

图5所示为基于同心离轴双反射系统的成像光谱仪结构图

图6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为望远镜系统中的主镜(对应望远镜系统的次镜)、2狭缝、3为望远镜系统中的次镜(对应望远镜系统的主镜)、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6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：望远镜系统中的主镜1(对应望远镜系统的第一面镜)、狭缝2、望远镜系统中的次镜3(对应望远镜系统的第二面镜)、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。

被观测物体置于望远镜系统中的主镜1前。物体或物体实像所发出的光线到达望远镜系统中的主镜1，经过狭缝2，到达望远镜系统中的次镜3实现平行光出射并进入平面光栅4，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望远镜系统中引入双抛物面望远镜，代替传统成像光谱仪的前置物镜和准直光学系统，实现限制光束口径和光栅前光路准直的功能。双抛物面望远镜结构如图3所示。根据望远镜的结构要求，望远镜的视放大率需要小于或等于1，因此主镜的曲率半径小于或等于次镜的曲率半径(R_P1＜R_P2)。

本发明在成像光谱仪的聚焦光路中引入同心离轴双反射系统，实现像面前光路聚焦的功能。同心离轴双反射系统结构的如图2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：

$\frac{1}{\tan {\mathrm{\α}}_p}+\frac{1}{\tan {\mathrm{\α}}_s}+\frac{1}{\tan \mathrm{\ω}}=0---\left(1\right)$

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。

以光栅为分界的成像光谱仪结构如图5所示。其望远镜中主镜1(对应望远镜系统的第一面镜)和次镜3(对应望远镜系统的第二面镜)具有相同的曲率中心，且为了解决望远镜中光线遮挡的问题，将抛物面反射镜离轴放置；聚焦光学系统中主镜5(对应同心离轴双反射系统的主镜)和次镜6(对应同心离轴双反射系统的次镜)具有相同的曲率中心。望远镜和聚焦光学系统能够独立校正像散。如图6所示，根据成像光谱仪同心结构的要求，平面光栅的法线存在相对于MO的转角γ，规定由MO位置转到光栅法线实际位置，顺时针为正，逆时针为负。其中MO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MO的夹角，δ′为经光栅衍射后衍射光与MO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，望远镜的反射镜面型为抛物面，聚焦光学系统的反射镜面型为球面，加工难度不大。根据本实施方式，以光栅为分界的成像光谱仪一个实施例如下，系统总体参数：波段范围：240nm～360nm；

光栅刻线数：600lp/mm；

光谱分辨力：优于1.4nm；

焦距：109mm；

成像分辨力：30lp/mm处MTF优于0.4；

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

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.以光栅为分界的成像光谱仪包括：

(1)望远镜系统，包括抛物面反射镜(1)、抛物面反射镜反射镜(3)和狭缝(2)，由这三部分组成的双抛物面望远镜系统，限定了成像光谱仪的成像范围，并决定进入成像光谱仪系统的能量，同时实现光束准直；

(2)平面光栅(4)，是成像光谱仪系统的孔径光阑，对经过望远镜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；

(3)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；

(4)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所述的以光栅为分界的成像光谱仪，其特征在于：将成像光谱仪的前置物镜、狭缝、准直光学系统合并为望远镜系统，该系统本身不引入像散，且不存在光线遮挡。

3.根据权利要求1所述的以光栅为分界的成像光谱仪，其特征在于：平面光栅工作于经望远镜系统准直反射后的平行光中，本身不引入像散，也不传递像散。

4.根据权利要求1所述的以光栅为分界的成像光谱仪，其特征在于：主光线度量下聚焦光学系统中凹面反射镜的入射角α₁正切值的倒数、主光线度量下聚焦光学系统中凸面反射镜的入射角α₂正切值的倒数、主光线度量下聚焦光学系统中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。

5.根据权利要求2、3或4所述的以光栅为分界的成像光谱仪，其特征在于：望远镜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1所述的以光栅为分界的成像光谱仪，其特征在于：聚焦光学系统的两片反射镜具有公共的球心，且公共球心与光栅中心的连线相对于平面光栅的垂线存在转角γ。

7.根据权利要求1所述的以光栅为分界的成像光谱仪，其特征在于：望远镜系统出射的平行光到光栅的距离是不固定的，可根据实际结构改变，利用成像光谱仪的设计与装配。