[发明专利]一种基于自由曲面的成像光谱仪分光系统

说明书

技术领域

本发明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，本发明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，本发明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。

本发明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。

本发明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。