CN1391090A - 折反射式凸面光栅成像光学系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于机载或星载对地观察超光谱成像仪的折反射式凸面光栅成像光学系统，该系统通过在依次由凸球面光栅和凹球面反射镜构成的同轴形式的离轴三反镜成像光学系统前增加折射透镜，使系统的象差得到进一步校正，从而保证系统在保持同轴形式的情况下可以获得与离轴式成像光谱仪相当的像质。该系统结构简单，元件加工及系统装调较离轴系统容易。它主要应用于机载或星载对地观察超光谱成像仪器中观察地物的光谱特性，也可用于医学、矿产等领域对物体的形状及光谱特性进行分析。

Description

折反射式凸面光栅成像光学系统

技术领域

本发明涉及光学元件、系统，具体是指一种用于机载或星载对地观察超光谱成像仪中的折反射式凸面光栅成像光学系统。

背景技术

凸面光栅成像光谱仪是在OFFNER先生发明的″1∶1光学投影系统″美国专利号：3,748,015的基础上由法国的ALAIN THEVENON，VIVIANE MILLET提出的，其专利号为FR2653879。该成像光谱仪的光学系统由一凹反射球面镜和一块凸反射球面光栅组成的同心光学系统，光线在凹反射球面需经过两次反射，因此该系统实际上是一个同轴形式的离轴三反镜系统，第一反射镜和第三反射镜均为凹球面反射镜。由于第一反射镜和第三反射镜光学参数相同，因此光学系统的像质改善受到一定的限制。美国专利：5,880,834将第一离轴球面反射镜和第三离轴球面反射镜分离，提出了离轴的三反镜成像光学系统结构，成像光谱仪的像质得到了进一步的提高。在此基础上，美国专利6,100,974给出了凸面光栅成像光谱仪的完整的光学系统结构。法国ALAIN THEVENON和VIVIANE MILLET提出的同轴形式的离轴三反镜系统其光学元件加工容易，系统的结构设计及装调简单，但系统的像质较美国离轴结构低。美国离轴结构的光学系统存在元件加工工艺复杂，系统结构设计及装调困难等缺点。

在折反射式成像光谱仪方面，Slutter，Warren S.在EP 0 862 050 A2专利中提出了采用Dyson光学系统结构的成像光谱仪，其光栅为凹球面反射光栅。这种采用Dyson系统成像光谱仪其物面与像面距折射透镜很近，从而给机械结构设计带来极大的不便，而且凹面光栅很难制成闪耀型光栅，衍射效率较凸面光栅为低。

发明内容

基于上述已有技术存在的问题，本发明的目的是：通过在法国同轴形式的离轴三反镜系统结构前添加一折射透镜的方法来校正系统象差，提高成像光谱仪的像质，从而避免离轴三反射镜系统以及Dyson折反射光学系统结构的成像光谱仪所带来的技术上的难题。

本发明的折反射式凸面光栅成像光学系统的结构如图1所示，它按顺序由凸球面反射光栅4和凹球面反射镜3构成一同轴形式的离轴三反镜成像光学系统，其特征在于：在该系统前面增加了一折射透镜2。

来自物方的光束1射经折射透镜2，射向凹球面反射镜3，经其反射至凸球面反射光栅4，再由凸球面反射光栅4射向凹球面反射镜3，再由凹球面反射镜3反射，经折射透镜2，在象方象平面5上成象。

所说的折射透镜2必须满足以下要求：

1.折射透镜2的材料对成像光谱仪的工作波段必须是透明的；

2.折射透镜2的前表面曲率半径R1＝(0.26～0.39)R4，其中R4是凹球面

反射镜3的曲率半径。

3.折射透镜2的后表面曲率中心与前表面曲率中心重合，也可以略有分开；

4.折射透镜2的中心厚度不小于透镜口径的十分之一；

5.折射透镜2与凸球面反射光栅4间隔距离为12mm～25mm。

本发明的光学系统的最大优越性是：在同轴形式的离轴三反镜成像光学系统前增加入了折射透镜，使系统的象差得到进一步校正，从而保证系统在保持同轴形式的情况下可以获得与离轴式成像光谱仪相当的像质，而系统的光学元件加工、结构及系统的装调难度却未有任何提高。

附图说明

图1为折反射式凸面光栅成像光学系统结构图，其中：R1：透镜2前表面曲率半径；R2：透镜2后表面曲率半径；R3：凸球面光栅4曲率半径；R4：反射镜3曲率半径；d1：物面与透镜2间距；d2：透镜2与反射镜3间隔距离；d3：反射镜3与凸球面光栅4间距；d4：透镜2与像面5间距；d5：像面离轴量；d6：物面离轴量。

具体实施方式

按照本发明中附图1所示的光学系统结构，我们设计了一成像光谱仪系统，光谱仪的技术指标如下：

工作波段：0.4μm～1.0μm；

系统F数：F/2.5；

平场视场：18mm(象空间)；

          3.04mm(谱空间)；

光谱分辨率：200nm/mm。

系统具体结构参数如下：

         离轴量(mm)    物像高(mm)    曲率半径(mm)   间隔(mm)    材料物面1：      d6：50        18×0.018     平面           d1：87.433透镜2：      0                           R1：-88.344    13.05       K9

                                     R2：-102.12    d2：166.62反射镜3：    0                           R4：-266.77    d3：142.72光栅4：      0                           R3：-124.04    d3：142.72  30.86线对/mm反射镜3      0                           R4：-266.77    d2：166.62透镜2：      0                           R2：-102.12    13.05       K9

                                     R1：-88.344    d4：87.433像面5：      d5：52        18×3.04

Claims (2)

1.一种折反射式凸面光栅成像光学系统，按顺序依次由凸球面反射光栅(4)和凹球面反射镜(3)构成一同轴形式的离轴三反镜成像光学系统，其特征在于：

a.在该系统前面增加了一折射透镜(2)；

b.来自物方的光束(1)经折射透镜(2)，射向凹球面反射镜(3)，经其反射至凸球面反射光栅(4)，再由凸球面反射光栅(4)射向凹球面反射镜(3)，再由凹球面反射镜(3)反射，经折射透镜(2)，在象方象平面(5)上成象。

2.根据权利要求1.一种折反射式凸面光栅成像光学系统，其特征在于：所说的折射透镜(2)的材料为对成像光谱仪的工作波段是透明的；折射透镜(2)的前表面曲率半径R1＝(0.26～0.39)R4，其中R4是凹球面反射镜(3)的曲率半径；折射透镜(2)的后表面与前表面近似同心；折射透镜(2)的厚度为不小于其口径的十分之一；折射透镜(2)与凸球面反射光栅(4)间隔距离为12mm～25mm。

Images