基于自由曲面及曲面棱镜的成像光谱仪光学系统技术方案

本专利公开了一种基于自由曲面及曲面棱镜的成像光谱仪光学系统，成像光谱仪系统由前置望远镜和分光系统组成，前置望远镜为大视场改进型离轴三反，分光系统由狭缝、自由曲面准直镜、曲面棱镜、自由曲面成像镜、分色片、可见近红外探测器以及短波红外探测器组成，系统针对长狭缝严格地校正色畸变和谱线弯曲，各波长处的成像质量接近衍射极限。该专利的特点在于，利用曲面棱镜分光，结合光学自由曲面大的自由度的特性，实现宽谱段、高效率的光谱成像，同时校正长狭缝带来的谱线弯曲和色畸变。

Optical System of Imaging Spectrometer Based on Free Surface and Surface Prism

This patent discloses an imaging spectrometer optical system based on free-form surface and curved surface prism. The imaging spectrometer system consists of a front telescope and a spectroscopic system. The front telescope is an improved off-axis three-mirror with large field of view. The spectroscopic system consists of a slit, a free-form surface collimator, a curved surface prism, a free-form surface imaging mirror, a color splitter, a visible near infrared detector and a short-wave infrared detection. The system corrects the color distortion and spectral line bending strictly for the long slit, and the imaging quality at each wavelength is close to the diffraction limit. The feature of the patent is that it can realize wide spectral band and high efficiency spectral imaging by using curved prism spectroscopy combined with the characteristics of large degree of freedom of optical free-form surface, and at the same time correct the spectral line bending and color distortion caused by long slit.

【技术实现步骤摘要】
基于自由曲面及曲面棱镜的成像光谱仪光学系统
本专利属于成像光谱仪领域，涉及一种自由曲面-曲面棱镜成像光谱仪光学系统，尤其涉及一种宽谱段、高效率、高分辨率的成像光谱仪。
技术介绍
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。在现有的众多分光方式中，棱镜和光栅分光为成像光谱仪最主流的分光手段，另外还有一些采用光栅和棱镜组合的分光结构。其中基于Offner中继结构的色散型成像光谱仪，是将Offner中继成像系统的次镜直接替换为相应曲率的凸面光栅就能形成色散型成像光谱仪。Offner中继成像系统是一个同心三反射光学系统，自动校正各种三级像差，具有良好的成像特征，并且它具有结构简单、装校容易、重量轻、加工方便、成本低等优点。但是国内凸面光栅的加工比较困难，主要体现在工艺相对不成熟、渠道稀少、价格昂贵，并且基于光栅分光在宽谱段内难以实现高的效率，一般需要分成多个谱段，导致仪器的体积重量成倍地增加。基于曲面棱镜形式的Offner成像光谱仪，保留了Offner中继成像系统的优点，同时又具有棱镜适应谱段宽、效率高、无二级光谱、杂散光少的特征。
技术实现思路
基于上述现有的光栅和棱镜分光系统的各种优缺点，结合技术现状，本专利提出了一种自由曲面-曲面棱镜成像光谱仪系统，系统基于曲面棱镜色散分光、结合自由曲面实现了0.4-2.5um谱段内宽波段、高效率的光谱成像。系统针对长狭缝严格地校正色畸变和谱线弯曲，各波长处的成像质量接近衍射极限。系统由前置望远镜和分光系统组成，前置望远镜为大视场改进型离轴三反系统，视场为60度，狭缝长度为37.5mm，分光系统由狭缝、自由曲面准直镜、曲面棱镜、自由曲面成像镜、分色片、可见近红外探测器以及短波红外探测器组成。曲面棱镜材料为0.4-2.5um波段高透过率的融石英玻璃，曲面棱镜的前后表面偏轴偏心设置，自由曲面准直镜和自由曲面成像镜为不具旋转对称的xy多项式光学表面，如公式1所示，采用金刚石单点车削加工，配以CGH补偿器进行高精度面型检测。基于自由曲面及曲面棱镜的成像光谱仪光学系统包括前置望远镜1和分光系统2，其中：前置望远镜1为大视场改进型离轴三反，分光系统2包含狭缝3、自由曲面准直镜4、曲面棱镜5、自由曲面成像镜6、分色片7短波红外探测器8以及可见近红外探测器9，狭缝3作为视场光阑置于前置望远镜焦面上，通过狭缝3的地物光，经过离轴放置的自由曲面准直镜4准直反射，在曲面棱镜5的前表面透射后在曲面棱镜5的后表面内反射，再经曲面棱镜5前表面透射后，在离轴放置的自由曲面成像镜6上反射会聚成像；焦面前置分色片7，透射1.0-2.5um波段至短波红外探测器8进行探测，反射0.4-1.0um波段至可见近红外探测器9进行探测。所述的前置望远镜1为大视场改进型离轴三反，其中二镜和四镜为同一面型两次使用，一镜和三镜置于同一镜坯上；望远镜反射镜面型皆为旋转对称偶次非球面，望远镜视场为60度，光阑位于三镜上，前置望远镜系统严格像方远心，便于与后光路物方远心分光系统进行对接。所述的曲面棱镜4前后表面为偏轴偏心设置，曲面棱镜材料为透可见近红外及短波波长的石英。所述的自由曲面准直镜4和自由曲面成像镜6均为非旋转对称光学表面。所述的分色片7为前后表面间有楔角的楔镜。该专利的特点在于，利用曲面棱镜分光，实现宽谱段、高效率的光谱分离，结合自由曲面大的自由度的优点，校正长狭缝带来的谱线弯曲和色畸变，利用分色片反射0.4-1.0um，透射1.0-2.5um实现两个谱段的分离，并且通过分色片前后表面的楔角校正短波红外谱段的像散，系统在全谱段的成像质量达到衍射极限。附图说明图1是实施例成像光谱仪系统示意图。图中，1为前置望远镜，2为分光系统，3为狭缝，4为自由曲面准直镜，5为曲面棱镜，6为自由曲面成像镜，7为分色片，8为短波红外探测器焦面，9为可见近红外探测器焦面。图2是实施例成像光谱仪系统的像质，各个视场在各谱段处的点列图半径曲线。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，本专利一种自由曲面-曲面棱镜成像光谱仪系统，狭缝作为视场光阑置于前置望远镜的焦面上，透过狭缝的光经自由曲面准直镜准直，经曲面棱镜色散分光，经自由曲面成像镜会聚成像。在焦面前设置分色片，对宽的工作谱段进行分离，反射0.4-1.0um波段至可见近红外探测器，透射1.0-2.5um波段至短波红外探测器。为了校正分色片在会聚光路中对透射短波波段产生的像散，分色片采用前后表面有一定楔角的设计，较大程度地减小了像散对短波谱段成像质量的影响，棱镜前后表面的楔角为0.24°，成像光谱仪系统的体积为256*200*85mm3，在同等的系统参数下，相比常规的棱镜光谱仪，较大程度地缩小了系统体积。如图2所示，成像光谱仪系统各个视场在各谱段处的点列图接近或者优与衍射极限，具有较好测成像质量，有利于系统实现高的分辨率。实施例成像光谱仪的系统设计指标如表1所示。前置望远镜的设计参数列如表2所示。分光系统设计数据列如表3所示。表1、实施例系统设计指标表2、前置望远镜设计参数表3、光谱仪设计参数本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于自由曲面及曲面棱镜的成像光谱仪光学系统，它包括前置望远镜(1)和分光系统(2)，其特征在于：前置望远镜(1)为大视场改进型离轴三反，分光系统(2)包含狭缝(3)、自由曲面准直镜(4)、曲面棱镜(5)、自由曲面成像镜(6)、分色片(7)短波红外探测器(8)以及可见近红外探测器(9)，狭缝(3)作为视场光阑置于前置望远镜焦面上，通过狭缝(3)的地物光，经过离轴放置的自由曲面准直镜(4)准直反射，在曲面棱镜(5)的前表面透射后在曲面棱镜(5)的后表面内反射，再经曲面棱镜(5)前表面透射后，在离轴放置的自由曲面成像镜(6)上反射会聚成像；焦面前置分色片(7)，透射1.0‑2.5um波段至短波红外探测器(8)进行探测，反射0.4‑1.0um波段至可见近红外探测器(9)进行探测。

【技术特征摘要】
1.一种基于自由曲面及曲面棱镜的成像光谱仪光学系统，它包括前置望远镜(1)和分光系统(2)，其特征在于：前置望远镜(1)为大视场改进型离轴三反，分光系统(2)包含狭缝(3)、自由曲面准直镜(4)、曲面棱镜(5)、自由曲面成像镜(6)、分色片(7)短波红外探测器(8)以及可见近红外探测器(9)，狭缝(3)作为视场光阑置于前置望远镜焦面上，通过狭缝(3)的地物光，经过离轴放置的自由曲面准直镜(4)准直反射，在曲面棱镜(5)的前表面透射后在曲面棱镜(5)的后表面内反射，再经曲面棱镜(5)前表面透射后，在离轴放置的自由曲面成像镜(6)上反射会聚成像；焦面前置分色片(7)，透射1.0-2.5um波段至短波红外探测器(8)进行探测，反射0.4-1.0um波段至可见近红外探测器(9)进行探测。2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面及曲面棱镜...

【专利技术属性】
技术研发人员：侯佳，王跃明，何志平，姚祎，舒嵘，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：新型
国别省市：上海,31