CN110146166A - 一种自由曲面棱镜光谱分光系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种自由曲面棱镜光谱分光系统，包括狭缝、色散系统和像面，色散系统进一步包括第一自由曲面棱镜、第一球面反射镜、第二球面反射镜、第二自由曲面棱镜和第三球面反射镜，自由曲面棱镜分别放置于结构的两臂上，光阑位于第二球面反射镜上；狭缝作为色散系统的物面，发出的光束进入色散系统，并经第一自由曲面棱镜透射后由第一球面反射镜反射，再经第一自由曲面棱镜透射；透射后的光束经第二球面反射镜反射后进入第二自由曲面棱镜透射，再由第三球面反射镜反射，再经过第二自由曲面棱镜色散成像到像面上。该系统能很好地校正离轴像差、扩大视场，同时可以避免准直镜和成像镜的使用，有利于实现光谱仪的小型化及轻量化。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种自由曲面棱镜光谱分光系统。
背景技术
随着成像光谱仪的迅速发展，成像光谱仪必将具有大视场和宽覆盖、高空间和光谱分辨率、高探测灵敏度，集新原理、新方法、新技术和新仪器于一体，适合于空间对地观测和深空探测、陆地表层和海洋以及大气的探测与监视。
传统的宽谱段大视场成像光谱系统多采用非共轴系统，非共轴系统的离轴像差很大，且不易校正，使系统的视场受到限制，通常采用相机拼接或在狭缝后由刃口分割视场，若实现宽谱段大视场成像，通常采用相机拼接，在狭缝后由刃口分割视场或在光谱仪的臂长放置分色片进行分光，从而实现分光束的探测，系统结构比较复杂。
发明内容
本发明的目的是提供一种自由曲面棱镜光谱分光系统，该系统能很好地校正离轴像差、扩大视场，同时可以避免准直镜和成像镜的使用，降低谱带弯曲和谱线弯曲，有利于实现光谱仪的小型化及轻量化。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种自由曲面棱镜光谱分光系统，所述系统包括狭缝、色散系统和像面，所述色散系统进一步包括第一自由曲面棱镜、第一球面反射镜、第二球面反射镜、第二自由曲面棱镜和第三球面反射镜，其中：
所述第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜分别放置于所述色散系统整体结构的两臂上，光阑位于所述第二球面反射镜上；
所述狭缝作为所述色散系统的物面，发出的光束进入所述色散系统，并经所述第一自由曲面棱镜透射后由所述第一球面反射镜反射，反射后的光束再经所述第一自由曲面棱镜透射；
透射后的光束经所述第二球面反射镜反射后进入所述第二自由曲面棱镜透射，透射后的光束再由所述第三球面反射镜反射，再经过所述第二自由曲面棱镜色散成像到所述像面上。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统能很好地校正离轴像差、扩大视场，同时可以避免准直镜和成像镜的使用，降低谱带弯曲和谱线弯曲，有利于实现光谱仪的小型化及轻量化；同时又具有棱镜适应谱段宽、效率高、无二级光谱、杂散光少的优点。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
图1为本发明实施例提供的自由曲面棱镜光谱分光系统结构示意图；
图2为本发明所举实例波长400nm的MTF设计结果图；
图3为本发明所举实例波长1000nm的MTF设计结果图；
图4为本发明所举实例波长1800nm的MTF设计结果图；
图5为本发明所举实例波长2500nm的MTF设计结果图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的自由曲面棱镜光谱分光系统结构示意图，所述系统主要包括狭缝1、色散系统2和像面3，所述色散系统2进一步包括第一自由曲面棱镜4、第一球面反射镜5、第二球面反射镜6、第二自由曲面棱镜7和第三球面反射镜8，其中各部分连接及光路过程具体为：
所述第一自由曲面棱镜4和第二自由曲面棱镜7分别放置于所述色散系统2整体结构的两臂上，光阑位于所述第二球面反射镜6上；
所述狭缝1作为所述色散系统2的物面，发出的光束进入所述色散系统2，并经所述第一自由曲面棱镜4透射后由所述第一球面反射镜5反射，反射后的光束再经所述第一自由曲面棱镜4透射；
透射后的光束经所述第二球面反射镜6反射后进入所述第二自由曲面棱镜7透射，透射后的光束再由所述第三球面反射镜8反射，再经过所述第二自由曲面棱镜7色散成像到所述像面3上。
具体实现中，两个自由曲面棱镜的材料为0.4～2.5um波段高透过率的玻璃材料，前表面为不具旋转对称的xy多项式光学表面，后表面为标准球面。利用自由曲面非旋转对称的光学特性，校正光谱系统的子午和弧矢像差的不对称性，补偿系统边缘视场的高级像差，改善传统设计带来的谱线弯曲和谱带弯曲，各波长处的成像质量接近衍射极限，由此实现了60mm长狭缝0.4～2.5um宽波段的光谱分光成像。
所述狭缝可采用机械狭缝拼接或玻璃狭缝刻划实现。
另外，上述色散系统中所使用的球面反射镜采用有利于系统加工装调与检测的标准球面反射镜。
按照上述结构的系统，其参数指标具体可以为：光谱范围达到400～2500nm；狭缝长度60mm；F数为3；系统长252mm；光谱分辨率4.2nm。
举例来说，按照本实施例所提供的光谱分光系统，追迹波长400nm,1000nm，1800nm，2500nm在视场为0mm，10mm，20mm，30mm处的像点位置，如图2所示为本发明所举实例波长400nm的MTF设计结果图，图3为波长1000nm的MTF设计结果图，图4为波长1800nm的MTF设计结果图，图5为波长2500nm的MTF设计结果图，从上述图2-5中可以看出：各个波长在奈奎斯特频率以内的MTF值在全视场范围内均大于0.4，成像质量接近衍射极限，分光系统设计参数如表1所示：
表1分光系统设计参数
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，例如反射镜面型的修改、光学元件半径、厚度、空气间隔、所使用的光学材料等更改，这些更改和变化不脱离本发明的实质范围。
综上所述，本发明实施例所述系统具有如下优点：
1.通过将自由曲面棱镜引入光谱分光系统中，利用自由曲面非旋转对称的光学特性，校正光谱系统的子午和弧矢像差的不对称性，补偿系统边缘视场的高级像差，扩大了系统视场；
2.通过自由曲面棱镜的双次透射，改善传统设计带来的谱线弯曲和谱带弯曲，有效拓宽系统光谱范围；
3.利用自由曲面棱镜集分光成像系统为一体的特性，可以避免准直镜和成像镜的使用，有利于实现光谱分光系统的小型化及轻量化；
4.采用自由曲面棱镜分光方式，能量为光栅系统的一倍以上，有效的提高了信噪比。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (4)
1.一种自由曲面棱镜光谱分光系统，其特征在于，所述系统包括狭缝、色散系统和像面，所述色散系统进一步包括第一自由曲面棱镜、第一球面反射镜、第二球面反射镜、第二自由曲面棱镜和第三球面反射镜，其中：
所述第一自由曲面棱镜和第二自由曲面棱镜分别放置于所述色散系统整体结构的两臂上，光阑位于所述第二球面反射镜上；
所述狭缝作为所述色散系统的物面，发出的光束进入所述色散系统，并经所述第一自由曲面棱镜透射后由所述第一球面反射镜反射，反射后的光束再经所述第一自由曲面棱镜透射；
透射后的光束经所述第二球面反射镜反射后进入所述第二自由曲面棱镜透射，透射后的光束再由所述第三球面反射镜反射，再经过所述第二自由曲面棱镜色散成像到所述像面上。
2.根据权利要求1所述自由曲面棱镜光谱分光系统，其特征在于，
两个自由曲面棱镜的材料为0.4～2.5um波段高透过率的玻璃材料，前表面为不具旋转对称的xy多项式光学表面，后表面为标准球面。
3.根据权利要求1所述自由曲面棱镜光谱分光系统，其特征在于，
所述狭缝采用机械狭缝拼接或玻璃狭缝刻划实现。
4.根据权利要求1所述自由曲面棱镜光谱分光系统，其特征在于，所述系统的参数指标具体为：
光谱范围达到400～2500nm；狭缝长度60mm；F数为3；系统长252mm；光谱分辨率4.2nm。
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