CN110879104A - 一种长狭缝光谱仪光学系统 - Google Patents

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王跃明
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Abstract

本发明公开了一种长狭缝光谱仪光学系统，由视场光栏、折反镜组、偏轴透镜、光栅和滤光片组成，其中折反镜组有一片正透镜和一片内反射负透镜组成。光学系统为折反射式，来自物方的光线从视场光栏出发，经折反镜组内反射后再经折反镜组透射至偏轴透镜达到光栅，经其衍射后再经过偏轴透镜至折反镜组内反射及透射后出射至滤光片，到达像面。折反镜组被光线四次经过，有利于压缩系统体积，实现基于平面光栅分光的长狭缝紧凑结构和低畸变设计，偏轴透镜有利于进一步校正光谱畸变。本发明的优点是：成本相对曲面光栅较低，能适应长狭缝设计需求，像差校正能力强，畸变低，结构紧凑。

Description

一种长狭缝光谱仪光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统和光学设计，特别是指一种长狭缝光谱仪光学系统及其设计。
背景技术
成像光谱仪是一种能获取探测目标的二维几何信息和光谱信息的仪器，在航天航空遥感和科学研究领域应用广泛。随着应用需求的不断提高，仪器的性能要求也随之提升。大视场或者大幅宽的遥感应用需求，对成像光谱仪的望远物镜和光谱仪光学系统都提出了挑战。比较传统的解决方案是，多个成像光谱仪外拼接，或者多个光谱仪内拼接，但对资源紧张的卫星和飞行平台，体积重量约束很强，用单个高性能光学系统比多个模块拼接需求更迫切。
大视场或大幅宽的成像光谱仪通常采用色散分光技术。分光元件主要为平面棱镜、曲面棱镜、平面光栅、凸面光栅、凹面光栅以及棱镜和光栅的组合体。然而大视场或者大幅宽的应用需求，通常需要长狭缝光谱仪，这对性价比相对较高的平面光栅光谱仪而言难度很大。
目前比较适用于长狭缝设计的光谱仪光学结构主要有：基于凸面光栅的offner结构、基于凹面光栅的dyson结构、基于曲面棱镜的Féry结构、基于棱栅组合的PG结构以及基于平面光栅的RT结构等。
现有技术存在的主要问题是：
(1)中低刻线数的曲面光栅价格昂贵。(2)不复杂化面型，通常的球面和偶次非球面系统，随狭缝增长，则像差校正困难，除offner结构以外，其余结构在体积和F数约束下，很难实现长狭缝设计，比较文献发现比较长的狭缝长度一般在30mm左右。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术的不足，提供一种长狭缝光谱仪光学系统。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
图1是本发明的光谱仪光路示意图，光谱仪光学系统由视场光栏1、折反镜组2、偏轴透镜3、光栅4和滤光片5组成，折反镜组2包括透镜2.1和内反射透镜2.2。
本发明中的光学系统为折反射式，来自物方的光线从视场光栏1出发，经过透镜2.1至内反射透镜2.2，经其内反射后再经透镜2.1至偏轴透镜3达到光栅4，经其衍射后再经偏轴透镜3折射至透镜2.1至内反射透镜2.2，经其内反射后再经透镜2.1出射至滤光片5，到达像面。
本发明中的折反镜组2，被光线四次经过；透镜2.1为正透镜，内反射透镜2.2为负透镜，其后表面为内反射表面。透镜2.1的前后表面为偶次非球面，内反射透镜2.2的前表面为偶次非球面，后表面为球面。如在可见光波段使用，透镜材料可选择消色差的冕牌和火石玻璃的组合。为实现更长狭缝的设计，达到更好的像差校正效果，折反镜组2可以复杂化设计，设计成三片式结构。
本发明中的偏轴透镜3，其自身是同轴透镜，前后表面面型均为球面或平面；在系统中偏轴透镜3与系统光轴略有沿y轴的轻微离轴和绕x轴的轻微倾斜。
本发明通过折反镜组2和偏轴透镜3实现基于平面光栅的长狭缝光谱仪光学系统的紧凑低畸变设计，其中，前者有利于实现紧凑设计，后者有利于进一步实现低光谱畸变设计。
由于上述技术方案的使用，本发明的一种长狭缝光谱仪光学系统的优点是：分光元件采用平面反射闪耀光栅，制作工艺比曲面光栅简单，制作成本比曲面光栅低；光路非常紧凑，既可以做到长狭缝和低畸变设计，相同色散要求下，也提高了光栅刻线密度，更有利于光栅研制；光学系统采用普通的偶次非球面和球面面型的透镜，光学加工难度可控；光学系统结构适用于可见近红外、短波红外、中波和长波。
附图说明
图1为本发明的光谱仪光路示意图。
图中：1为视场光栏；2为折反镜组，2.1为透镜，2.2为内反射透镜；3为偏轴透镜；4为光栅；5为滤光片。
具体实施方式
下面根据图1，给本发明一个较好实施例并作详细阐述：
设计一个可见近红外长狭缝成像光谱仪，所用探测器面阵规模为2048元×128元，像元尺寸为30μm×30μm，其设计指标要求列于表1中。
表1
光谱范围 F数 横向放大倍率 狭缝长度 色散宽度
0.4-0.9μm 3.3 -1× 61.44mm 3.84mm
设计数据列于表2中。
表2
Figure BDA0002267572510000041
设计结果为：光谱仪归一化0视场、0.707视场和1视场，代表波长0.4μm、0.65μm和0.9μm的点列图rms直径小于12μm，小于像元尺寸30μm。在奈奎斯特截止频率16.7pl/mm处，光谱仪归一化0视场、0.707视场和1视场，代表波长0.4μm、0.65μm和0.9μm的MTF接近衍射受限值，均优于0.85。光谱仪smile畸变低于1.3μm，keystone畸变低于3.1μm。光谱采样3.9nm/像元。光谱仪体积为165mm×Φ135mm，物方和像方的空间有利于狭缝组件和探测器布局，光栅为平面光栅，相比于传统的曲面光栅结构，体积显著减小。

Claims (4)

1.一种长狭缝光谱仪光学系统，由视场光栏(1)、折反镜组(2)、偏轴透镜(3)、光栅(4)和滤光片(5)组成，折反镜组(2)包括透镜(2.1)和内反射透镜(2.2)，其特征在于：
所述的光学系统为折反射式，来自物方的光线从视场光栏(1)出发，经过透镜(2.1)至内反射透镜(2.2)，经其内反射后再经透镜(2.1)至偏轴透镜(3)达到光栅(4)，经其衍射后再经偏轴透镜(3)折射至透镜(2.1)至内反射透镜(2.2)，经其内反射后再经透镜(2.1)出射至滤光片(5)，到达像面。其中，光栅(4)为平面反射光栅。
2.根据权利要求1所述的一种长狭缝光谱仪光学系统，其特征在于：
所述的折反镜组(2)，被光线四次经过；透镜(2.1)为正透镜，内反射透镜(2.2)为负透镜，其后表面为内反射表面；透镜(2.1)的前后表面为偶次非球面，内反射透镜(2.2)的前表面为偶次非球面，后表面为球面。
3.根据权利要求1或2所述的一种长狭缝光谱仪光学系统，其特征在于：
所述的折反镜组(2)的另一种形式是三片式透镜组。
4.根据权利要求1所述的一种长狭缝光谱仪光学系统，其特征在于：
所述的偏轴透镜(3)，其自身是同轴透镜，前后表面面型为球面或平面；在系统中偏轴透镜(3)与系统光轴略有沿y轴的轻微离轴和绕x轴的轻微倾斜。
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