CN111561998A - 一种自由曲面长缝光谱仪光学系统 - Google Patents

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王跃明
谢佳楠
何志平
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Abstract

本发明公开了一种自由曲面长缝光谱仪光学系统，由视场光栏、折反镜组、自由曲面透镜、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自由曲面透镜到达光栅，经其衍射后再经过自由曲面透镜至折反镜组内反射及透射后出射至滤光片，到达像面。自由曲面透镜有利于进一步校正光谱畸变和像质。本发明的优点是：能适应长狭缝设计需求，像差校正能力强，畸变低，结构紧凑；比曲面光栅和已有的含有多个非球面的类似光谱仪的成本低。

Description

一种自由曲面长缝光谱仪光学系统
技术领域
本发明涉及光学系统和光学设计，特别是指一种自由曲面长缝光谱仪光学系统及其设计。
背景技术
为提高航天航空成像光谱仪器的作业效率，同时平台存在体积和重量资源的约束，对仪器技术和轻小型化要求进一步提高。目前体积比较紧凑的基于平面光栅分光的光谱仪是折反射式结构的，其光学系统由狭缝、折反镜组和平面光栅组成，系统结构简单。
现有技术存在的主要问题是：光谱仪中的折反射镜组中的至少有三个非球面，且有个双凸透镜的前后表面均为非球面，光学加工难度相对较难，加工周期相对较长，成本较高且加工和装调公差相对较严格；且光谱仪视场有限，狭缝不能太长，否则光谱仪校正后的残余像质和畸变仍比较大。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术的不足，提供一种自由曲面长缝光谱仪光学系统。
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、自由曲面透镜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，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至自由曲面透镜3到达光栅4，经其衍射后再经自由曲面透镜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的后表面为偶次非球面，透镜2.1的前表面和内反射透镜2.2的前后表面均为球面。
本发明中的自由曲面透镜3，其前表面为平面，后表面为扩展多项式自由曲面；在系统中自由曲面透镜3与系统光轴有沿y轴的离轴。
本发明通过折反镜组2和自由曲面透镜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。
由于上述技术方案的使用，本发明的一种自由曲面长缝光谱仪光学系统的优点是：光谱仪光学系统像质得到了进一步提高；自由曲面透镜的前表面为平面，后表面虽为自由曲面，但非球面偏离量比较轻，采用CGH全息干涉法检测较易实现，相对于原来双凸非球面透镜的加工，周期缩短且难度降低了；若平面光栅研制成双闪耀光栅，后方加分色片分可见和短波红外通道，或者探测器响应可见到短波红外的光谱，则光谱仪光学像质能满足从可见到红外光谱范围的应用。
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为自由曲面透镜；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自由曲面长缝成像光谱仪，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 BDA0002503994850000031
Figure BDA0002503994850000041
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7.2μm，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0.88。光谱仪光谱弯曲低于1.3μm，色畸变低于1.4μm。光谱采样3.9nm/像元。光谱仪体积为165mm×Φ135mm。

Claims (2)

1.一种自由曲面长缝光谱仪光学系统，由视场光栏(1)、折反镜组(2)、自由曲面透镜(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：
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)至自由曲面透镜(3)到达光栅(4)，经其衍射后再经自由曲面透镜(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；自由曲面透镜(3)，前表面为平面，后表面为复合多项式表征的自由曲面；在系统中自由曲面透镜(3)与系统光轴有沿子午向y轴的离轴。
2.根据权利要求1所述的一种自由曲面长缝光谱仪光学系统，其特征在于：
所述的折反镜组(2)中的透镜(2.1)的后表面为偶次非球面，透镜(2.1)的前表面和内反射透镜(2.2)的前后表面均为球面。
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