CN203881441U - 基于自由曲面的成像光谱仪分光系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于自由曲面的成像光谱仪分光系统，该系统由入射狭缝，自由曲面准直反射镜，平面衍射光栅以及自由曲面成像反射镜和像面探测器组成。本实用新型的特点在于使用高性能且工艺成熟的平面光栅，配以高自由度的非旋转对称自由曲面，实现结构简单、紧凑、小像差、低畸变、高效率的分光系统。系统中采取孔径离轴的方式达到无光线遮拦的目的，各光学元件之间不存在相对的角度旋转，可以较方便简易地实现装调，缩短研制的周期。本实用新型基于自由曲面的分光系统的设计的实施例在8-12.5μm的长波红外谱段实现了很好的光谱成像，在保证系统简单、紧凑的前提下，较好地校正了球差、彗差、像散、光谱畸变和谱线弯曲等。本实用新型可以应用于航天、航空的高光谱成像领域。

Description

基于自由曲面的成像光谱仪分光系统

技术领域

本专利属于成像光谱仪设计领域，具体涉及一种新型的基于自由曲面的平面光栅分光系统的光学设计，本专利的实施例谱段为长波红外，它也适用于可见近红外或中波红外等其他谱段的光谱成像系统分光组件的设计。

背景技术

成像光谱仪是成像技术和光谱技术的有机结合，它能同时获取目标的二维空间信息和一维光谱信息，形成数据立方，被广泛地用于社会生产、军事活动、宇宙和天文探测以及航空航天遥感等诸多领域。其光学系统一般由前置望远镜系统和光谱分光系统组成，而分光系统决定着成像光谱仪的基本性能，是革新常规光谱仪的关键，因为分光系统直接影响着整个成像光谱仪的性能、结构的复杂程度、重量和体积。在众多的分光方式中，光栅衍射分光因为其结构无动部件、技术成熟、性能高、线性好、具有宽的光谱范围和高的分辨率而成为了现行成像光谱仪主流的分光手段。国际上广泛应用的光栅分光系统的主要形式有：采用凸面光栅的Offner结构、采用凹面光栅的Dyson结构、采用平面光栅的Czerny-Turner结构等，还有一些采用光栅和棱镜组合的分光结构。

Offner结构为全反射式，不受波段限制，其分光组件为凸面光栅，结构简单紧凑；Dyson结构采用透射式，可以实现较大的相对孔径和小的体积，其分光组件为凹面光栅。相对平面光栅而言，这两种光栅发展使用较晚，其加工、检测等技术相对不成熟，特别是用于热红外谱段的超低刻线数光栅的制造工艺难度更大，造成该类高性能器件制造难，成本高，设计局限性大。

平面光栅作为一种加工制作工艺成熟、成本较低、获取渠道相对畅通的分光组件，是现在最为普遍应用的分光组件。但是相对于凸面光栅和凹面光栅而言，采用平面光栅分光的Czerny-Turner结构受像差校正的限制，难以实现大的相对孔径，并且随着狭缝变长所导致的色畸变和谱线弯曲也增长剧烈，存在像差校正能力较差、分辨率较低的问题。为了弥补这些缺陷和校正各种像差，基于平面光栅的Czerny-Turner结构经常用于小像差大F数的光谱成像系统，并且为了增加平衡像差的自由度，各元件往往都存在不同程度的旋转和偏心，对设计、装调的要求较高，研制周期较长。

另外，其它基于平面光栅的光谱仪分光系统则一般通过增加元部件的方式来增加平衡系统的自由度，系统较为复杂，需要引入多组透镜或者棱镜，每一个棱镜或者透镜的微小倾斜和偏心都会给系统的图像质量带来严重的影响，必然导致整个系统的装调和测试困难，研制周期长和研制成本高等。此外光线要经过多次折射和反射才能达到探测器，每次折射和反射都带来光能的损失，必然会导致系统光能利用率低。

发明内容

基于上述现有光谱仪分光技术存在的问题，为了较好地解决分光系统高性能、简易性以及低成本之间的矛盾，本专利的主要目的是借鉴于已有的Offner结构和Czerny-Turner结构，取其各自的优点，避其各自的缺点，以平面闪耀光栅为分光器件，配以高自由度的非旋转对称自由曲面进行准直及成像，设计出基于自由曲面的新型分光系统。该系统简单、紧凑，装调容易的同时能实现小像差、低畸变及高效率。

本专利的分光系统采用近似Offner的结构形式，系统为全反射式，仅仅利用孔径的离轴来达到避免遮拦的目的，各光学元件之间不存在相对的角度旋转。系统分别利用一个自由曲面准直镜和一个自由曲面成像镜代替传统平面光栅分光系统中由多组透镜组成的准直镜和成像镜，基于自由曲面光学元件大的自由度和非旋转对称性，能很好地校正多种离轴像差和非旋转对称像差等优点，以达到提高光谱仪分光系统成像质量、简化系统的设计，降低系统的加工、装调难度，减小光谱仪器的体积、自重的目的。

本专利的分光系统结构如附图1所示，它包括入射狭缝1、准直自由曲面反射镜2、衍射光栅3、成像自由曲面反射镜4，入射狭缝1位于前望远镜的焦面上，是前望远镜无穷远目标的像；衍射光栅3是平面光栅，自由曲面反射镜准直镜2和成像自由曲面反射镜4均为不具有旋转对称形式的自由曲面；系统的孔径光阑设置在平面衍射光栅3上，准直自由曲面反射镜2和成像自由曲面反射镜4相对于光栅3设置，二者的曲率中心重合，并且和光栅的中心在同一直线上；从入射狭缝1发出的光经准直自由曲面反射镜2反射至衍射光栅3，经衍射光栅3衍射分光后的光被反射至成像自由曲面反射镜4，最后由自由曲面反射镜4反射至安放有探测器5的像面上。

准直自由曲面反射镜2和成像自由曲面反射镜4均为非旋转对称的自由曲面，其表达式为公式（1）所示，其中：c为中心点O₁和O₂的曲率，k为二次系数，C₁-C₃₅为各项系数，（x,y,z）为自由曲面上各点的坐标。。

在该系统中，孔径光阑设置在衍射光栅3上，准直自由曲面反射镜2和成像自由曲面反射镜4均相对于衍射光栅3设置，准直自由曲面反射镜2、衍射光栅3和成像自由曲面反射镜4的中心皆位于同一条直线上，系统采用孔径离轴的方式避免光线的遮拦，各光学元件之间不存在相对的角度旋转。

$\begin{array}{c}z(x,y)=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)\left((x^2+y^2)c^2\right)}}+\\ C_{1}x+C_{2}y+\\ C_3{x}^2+C_4\mathrm{xy}+C_5{y}^2+\\ C_6{x}^3+C_7{x}^{2}y+C_8{\mathrm{xy}}^2+C_9{y}^3+\\ C_{10}{x}^4+C_{11}{x}^{3}y+C_{12}{x}^2{y}^2+C_{13}{\mathrm{xy}}^2+C_{14}{y}^4+\\ C_{15}{x}^4+C_{16}{x}^{4}y+C_{17}{x}^3{y}^2+C_{18}{x}^2{y}^3+C_{19}{\mathrm{xy}}^4+C_{20}{y}^5+\\ C_{21}{x}^6+C_{22}{x}^{5}y+C_{23}{x}^4{y}^2+C_{24}{x}^3{y}^3+C_{25}{x}^2{y}^4+C_{26}{\mathrm{xy}}^5+C_{27}{y}^6+\\ C_{28}{x}^7+C_{29}{x}^{6}y+C_{30}{x}^5{y}^2+C_{31}{x}^4{y}^3+C_{32}{x}^3{y}^4+C_{33}{x}^2{y}^5+C_{34}{\mathrm{xy}}^6+C_{35}{y}^7+\\ ......\end{array}---\left(1\right)$

以长波红外谱段（8μm-12.5μm）的分光系统为设计实例，阐述了本专利的可行性和实用性，由于热红外成像系统设计的特殊性，热红外波段成像光谱仪的研制门槛远高于可见光/近红外波段，目前热红外波段成像光谱仪的研制技术只有少数几个先进国家掌握，因此本设计实例具有比较现实的实用意义。设计实例的参数指标如表1所示，在保证系统简单性的前提下，各项指标均达到利用凸面或者凹面光栅的分光系统相当的水平，这是传统的平面光栅分光系统很难做到的。准直自由曲面反射镜2和成像自由曲面反射镜4的各项系数分别如表2和表3所示，值得一提的是，现有的金刚石单点车削技术水平下，本专利中提到的自由曲面以铜或者铝金属作为材料的前提下，其加工精度可达1/4λ632.8nm，这足以满足在热红外谱段下的使用要求。

本专利的有益效果是：系统使用工艺成熟、成本较低、性能优良且获取渠道畅通的分光元件平面光栅配以非旋转对称的自由曲面反射镜，实现小像差、低畸变、高效率的分光系统；系统结构简单、紧凑，具有较少的光学元件，准直镜和成像镜均由单块反射镜组成，减少了由于多次反射或者折射造成的光能损失；系统中各光学元件之间不存在相对的角度旋转，且三个关键光学元件（准直自由曲面反射镜2、衍射光栅3和成像自由曲面反射镜4）的中心在同一直线上，这很大程度地减小了装调的难度，大大地缩短了研制的周期；最后本专利利用自由曲面简化系统结构的前提下，保证了系统了性能。

表1

参数	大小
		光谱范围	8-12.5μm
视场角(FOV)	11°
		F#	2.6
狭缝尺寸	6mm×30μm
		物镜焦距	30mm
系统大小	100mm×100mm
		空间分辨率	1mrad
探测器	30μm×30μm
		光谱采样间隔	25nm

表2

X1Y0	X0Y1	X2Y0	X1Y1	X0Y2	X3Y0
						0	-9.27E-6	1.021E-3	0	1.192E-3	0
X2Y1	X1Y2	X0Y3	X4Y0	X3Y1	X2Y2
						-1.53E-6	0	2.97E-6	-3.18E-7	0	-6.7E-7
X1Y3	X0Y4	X5Y0	X4Y1	X3Y2	X2Y3
						0	-2.64E-7	0	-2.4E-9	0	-5.53E-10
X1Y4	X0Y5	X6Y0	X5Y1	X4Y2	X3Y3
						0	-2.13E-9	7.66E-11	0	1.54E-10	0
X2Y4	X1Y5	X0Y6	X7Y0	X6Y1	X5Y2
						2.82E-10	0	-1.55E-11	0	7.22E-13	0
X4Y3	X3Y4	X2Y5	X1Y6	X0Y7	X8Y0
						3.47E-12	0	3.65E-12	0	-3.36E-13	-5.6E-14

表3

X1Y0	X0Y1	X2Y0	X1Y1	X0Y2	X3Y0
						0	-1.15E-5	1.17E-3	0	9.83E-4	0
X2Y1	X1Y2	X0Y3	X4Y0	X3Y1	X2Y2
						1.02E-6	0	1.12E-6	-3.73E-7	0	-7.2E-7
X1Y3	X0Y4	X5Y0	X4Y1	X3Y2	X2Y3
						0	-3.05E-7	0	2.92E-9	0	-3.54E-10
X1Y4	X0Y5	X6Y0	X5Y1	X4Y2	X3Y3
						0	-8.93E-10	4.04E-11	0	1.6E-10	0
X2Y4	X1Y5	X0Y6	X7Y0	X6Y1	X5Y2
						2.03E-10	0	6.2E-11	0	-1.42E-12	0
X4Y3	X3Y4	X2Y5	X1Y6	X0Y7	X8Y0
						-2.5E-12	0	-1.84E-12	0	-4.26E-13	9.9E-15

附图说明

图1是分光系统的结构示意图。

图2-4分别是短波限8μm、中心波长10.25μm和长波限12.5μm下的点列图。

图5-7分别是短波限8μm、中心波长10.25μm和长波限12.5μm下的传递函数曲线。

图8分别是短波限、中心波长和长波限偏移50nm的光谱成像示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本专利作进一步的详细说明：

如图1所示，本专利的光谱仪分光系统以高性能、结构简单的凸面光栅Offner结构和基于平面光栅的Czerny-Turner结构为设计原型，取其二者的优点，避其缺点，实现在元器件和结构简单性前提下的高性能分光。分光系统包括狭缝1、准直自由曲面反射镜2、衍射光栅3、成像自由曲面反射镜4以及像面探测器5。狭缝1为前望远物镜的焦面，来自远处目标的入射光束经过望远镜成像于狭缝，作为分光系统的物平面；准直自由曲面反射镜2为准直镜，经过狭缝的光束被反射镜2准直后入射到衍射光栅3上进行衍射色散分光，不同波长的光经过光栅3衍射后以不同的出射角出射，被成像自由曲面反射镜4成像在像面探测器5的不同位置上，实现光谱成像。

分光系统的设计步骤为：

（1）、系统的初始结构计算，准直镜2和成像镜4相对于光栅从中间分开，曲率中心重合，这样既可以避免二次衍射与多次衍射，同时又方便反射镜的装调与加工。二者的曲率半径为r₁＝r₂＝r，为了消球差，根据瑞利判据，曲率半径需满足公式（2）所示。其中，D为反射镜的直径，r为反射镜的曲率半径，F为系统的F数

$\frac{{(D/2)}^4}{{8r}^4}\≤\frac{\mathrm{\λ}}{4}\⇒f=r/2\≤256\mathrm{\λ}{F}^4---\left(2\right)$

相应地，狭缝到准直镜的距离为r/2，成像镜到像面的距离为-r/2，同时类似Offner的结构形式，对准直镜设定一个相对于y轴的离轴量，以避免光线的遮拦，这时可以大致地得到光栅的入射角i和衍射角θ，同时依据光栅的色散方程，如公式（3）所示，可以根据中心波长、入射角和衍射角等大致计算光栅每毫米的刻线数1/d。

d(sini-sinθ)＝mλ_B   （3）

（2）、显然以上的初始结构并不能得到很好的光谱成像质量，接下来设置准直镜和成像镜的曲率半径、各元件之间的距离、离轴量和光栅的刻线数等为变量，并且初步调整这些变量，注意控制光线的遮拦（可通过设置虚拟表面的形式，控制光线在虚拟表面上的坐标值），经过反复的计算和优化，使设计的结果逐步地接近系统的设计技术指标。

（3）、步骤（2）的优化变量十分有限，相对于传统的平面光栅Czerny-Turner结构而言，各元件的旋转已不是可优化变量，并且本设计方法所基于的相对孔径和谱段范围等也大大地优于常规的Czerny-Turner结构，利用步骤（2）不能克服由于平面光栅带来的像质、色畸变和谱线弯曲等问题，所以一般还不能满足使用的需要，还要根据探测器上色散维的宽度、空间维的宽度，谱线弯曲和光谱畸变的情况以及系统对成像像元质量的要求进一步对系统的各项参数进行优化。在设置准直镜和成像镜为公式（1）所描述的自由曲面的前提下，将其前36项系数以及中心点曲率半径、二次系数、光栅的刻线数、探测器与光轴的倾斜角等设置为可变，对系统进行进一步的优化设计，使最终的设计能够满足系统的各项性能指标的需求。在这里值得一提的是，如果狭缝的视场设置为沿x轴方向设置，即关于y轴对称，那么两个自由曲面反射镜也应该关于y轴具有对称性，所以对两个自由曲面进行优化设计时，其x的指数为奇次的项的系数应该设置为0，仅优化x的指数为偶次的项的系数，这样可以大大地提高软件自动优化的效率。

最后，根据以上的设计步骤，本专利以长波红外分光系统的设计为实施例，根据表1的设计参数指标给出了设计实例，阐述了本专利的可行性和实用性，分光系统中用到的准直自由曲面和成像自由曲面的各项系数如表2和表3所示，系统的各元件参数设置如表4所示。在保证系统简单性的前提下，各项指标均达到国内其他更为复杂构型的光谱仪的相当水平，光谱畸变控制在1/10像元以内，谱线弯曲控制在2/3像元以内。

表4

类型	半径/mm	间距/mm	二次系数	其他
					狭缝1	平面	93.559	0
坐标打断		0	—	Y轴偏心21.2043mm
					准直自由曲面2	-130.6827	-93.559	-5.9288
光栅3	平面	93.559	0	12.5线对/mm
					成像自由曲面4	-123.2412	-79.844	-5.8417
坐标打断		0	—	X轴旋转-19.2171°
					像面5	平面	—	0

Claims (2)

1.一种基于自由曲面的成像光谱仪分光系统，它包括入射狭缝（1）、准直自由曲面反射镜（2）、衍射光栅（3）、成像自由曲面反射镜（4），其特征在于：入射狭缝（1）位于前望远镜的焦面上，是前望远镜无穷远目标的像；衍射光栅（3）是平面光栅，准直自由曲面反射镜（2）和成像自由曲面反射镜（4）均为不具有旋转对称形式的自由曲面；系统的孔径光阑设置在平面衍射光栅（3）上，准直自由曲面反射镜（2）和成像自由曲面反射镜（4）相对于光栅（3）设置，二者的中心O1和O2重合，并且和光栅的中心在同一直线上；从入射狭缝（1）发出的光经准直自由曲面反射镜（2）反射至衍射光栅（3），经衍射光栅（3）衍射分光后的光被反射至成像自由曲面反射镜（4），最后由自由曲面反射镜（4）反射至安放有探测器（5）的像面上实现光谱成像。

2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的成像光谱仪分光系统，其特征在于：所述的准直自由曲面反射镜（2）和成像自由曲面反射镜（4）的非旋转对称自由曲面为：

$\begin{array}{c}z(x,y)=\frac{c(x^2+y^2)}{1+\sqrt{1-(1+k)\left((x^2+y^2)c^2\right)}}+\\ C_{1}x+C_{2}y+\\ C_3{x}^2+C_4\mathrm{xy}+C_5{y}^2+\\ C_6{x}^3+C_7{x}^{2}y+C_8{\mathrm{xy}}^2+C_9{y}^3+\\ C_{10}{x}^4+C_{11}{x}^{3}y+C_{12}{x}^2{y}^2+C_{13}{\mathrm{xy}}^2+C_{14}{y}^4+\\ C_{15}{x}^4+C_{16}{x}^{4}y+C_{17}{x}^3{y}^2+C_{18}{x}^2{y}^3+C_{19}{\mathrm{xy}}^4+C_{20}{y}^5+\\ C_{21}{x}^6+C_{22}{x}^{5}y+C_{23}{x}^4{y}^2+C_{24}{x}^3{y}^3+C_{25}{x}^2{y}^4+C_{26}{\mathrm{xy}}^5+C_{27}{y}^6+\\ C_{28}{x}^7+C_{29}{x}^{6}y+C_{30}{x}^5{y}^2+C_{31}{x}^4{y}^3+C_{32}{x}^3{y}^4+C_{33}{x}^2{y}^5+C_{34}{\mathrm{xy}}^6+C_{35}{y}^7+\\ ......\end{array}$

其中：c为中心点的曲率，k为二次系数，C₁-C₃₅为各项系数，（x,y,z）为自由曲面上点的坐标。