一种大视场校色散非线性光谱成像装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种大视场校色散非线性光谱成像装置，所述装置包括入射狭缝、第一自由曲面反射镜、成对曲面棱镜、第二自由曲面反射镜、补偿镜和像面，入射光束经过所述入射狭缝发散进入第一自由曲面反射镜，经所述第一自由曲面反射镜反射后的光束进入所述成对曲面棱镜；经所述成对曲面棱镜两次透射和单次反射后的光束再入射到所述第二自由曲面反射镜；经所述第二自由曲面反射镜反射后的光束入射到所述补偿镜，再经所述补偿镜透射后进入所述像面，实现不同波长的色散和单波长的聚焦。上述装置根据曲面棱镜色散特性，利用自由曲面非旋转对称特性，校正随着视场增大引起的光谱畸变，改善由于光学材料本身存在的固有色散非线性问题。性问题。性问题。

【技术实现步骤摘要】
一种大视场校色散非线性光谱成像装置


[0001]本专利技术涉及光谱成像
，尤其涉及一种大视场校色散非线性光谱成像装置。

技术介绍

[0002]曲面棱镜作为一种典型的色散元件，与光栅相比，具有能量利用率高、易加工、性能稳定、光谱无混叠等优点。但由于光学材料的固有属性折射率特点，棱镜色散系统存在典型的光谱色散非均匀性和光谱畸变。对于常见的光学材料，玻璃的折射率在可见光的短波范围内变化很快，但在长波范围内变化较慢。在不进行非线性校正的情况下，相等间隔的短波范围内和长波范围内的光谱分辨率相差很大，严重影响了系统的信噪比，给后续的数据处理和计算带来不便。色散型光谱仪中普遍存在光谱畸变，且随着视场的增大，光谱畸变剧烈增大。光谱畸变包括谱线弯曲和谱带弯曲，是由色散元件引起的光学畸变，最终会导致狭缝在探测器上的像是一条条弯曲的谱线或者不同波长的像在空间维长度不等。此外光谱畸变还会引起图像匹配误差，给后续的数据处理带来困难，如光谱定标、辐射定标等。为了获得更精确的光谱数据，光谱畸变必须控制在50％甚至20％像素范围内。
[0003]现有技术中棱镜色散非线性的校正方法通常采用两种方法：一种是采用不同种材料胶合而成的三角棱镜组合，如Amici棱镜。采用Amici棱镜组合的光谱成像系统，覆盖的光谱范围比较窄，视场小，且非线性比仅能校正一部分，因此棱镜色散的非线性并未得到很好的校正。同时采用三角棱镜组合的光谱成像系统的谱线弯曲较大，光谱畸变严重，这两个指标又是评价光谱成像系统性能的重要参数，直接影响光谱系统的分辨率；第二种方法为成对使用曲面棱镜，单台光谱仪需使用四个曲面棱镜来实现光谱非线性的校正，而曲面棱镜作为一种异形透镜，其加工不同于常规球面或非球面元件，加工元件所需胚料大，现有国产光学毛坯料尺寸难以完成口径大于200mm的曲面棱镜加工，随着视场的增大和相对孔径的增加，传统非线性校正方案中的曲面棱镜口径迅速增大，因此难以实现大视场下的传统方案的加工，同时随着视场的增大，曲面棱镜系统体积和重量将显著增加，很难减轻全系统的重量。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种大视场校色散非线性光谱成像装置，该装置根据曲面棱镜色散特性，利用自由曲面非旋转对称特性，校正随着视场增大引起的光谱畸变，改善由于光学材料本身存在的固有色散非线性问题。
[0005]本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：
[0006]一种大视场校色散非线性光谱成像装置，所述装置包括入射狭缝、第一自由曲面反射镜、成对曲面棱镜、第二自由曲面反射镜、补偿镜和像面，其中：
[0007]入射光束经过所述入射狭缝发散进入第一自由曲面反射镜，经所述第一自由曲面反射镜反射后的光束进入所述成对曲面棱镜；
[0008]经所述成对曲面棱镜两次透射和单次反射后的光束再入射到所述第二自由曲面反射镜；其中，所述成对曲面棱镜的反射面作为孔径光阑，且所述成对曲面棱镜设置于光谱仪结构中的次镜位置；
[0009]经所述第二自由曲面反射镜反射后的光束入射到所述补偿镜，再经所述补偿镜透射后进入所述像面，实现不同波长的色散和单波长的聚焦。
[0010]由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，上述装置根据曲面棱镜色散特性，利用自由曲面非旋转对称特性，校正随着视场增大引起的光谱畸变，改善由于光学材料本身存在的固有色散非线性问题，解决了传统大视场非线性校正方法中曲面棱镜加工的不可行性问题。
附图说明
[0011]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。
[0012]图1为本专利技术实施例提供的大视场校色散非线性光谱成像装置结构示意图。
[0013]图2为同等指标下未校正色散非线性与校正非线性的光谱分辨率对比图；
[0014]图3为本专利技术实施例所述光谱成像装置的光谱分辨率曲线示意图；
[0015]图4为本专利技术实施例所述光谱畸变谱线弯曲示意图；
[0016]图5为本专利技术实施例所述光谱畸变谱带弯曲示意图。
具体实施方式
[0017]下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例，这并不构成对本专利技术的限制。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。
[0018]如图1所示为本专利技术实施例提供的大视场校色散非线性光谱成像装置结构示意图，所述装置包括入射狭缝1、第一自由曲面反射镜2、成对曲面棱镜3、第二自由曲面反射镜4、补偿镜5和像面6，其中：
[0019]入射光束经过所述入射狭缝1发散进入第一自由曲面反射镜2，经所述第一自由曲面反射镜2反射后的光束进入所述成对曲面棱镜3；
[0020]经所述成对曲面棱镜3两次透射和单次反射后的光束再入射到所述第二自由曲面反射镜4；其中，所述成对曲面棱镜3的反射面作为孔径光阑，且所述成对曲面棱镜3设置于光谱仪结构中的次镜位置，有效减少曲面棱镜的通光口径；
[0021]经所述第二自由曲面反射镜4反射后的光束入射到所述补偿镜5，再经所述补偿镜5透射后进入所述像面6，实现不同波长的色散和单波长的聚焦。
[0022]具体实现中，通过将成对曲面棱镜3放置于光谱仪次镜位置处，两次透射实现双倍色散，根据曲面棱镜色散特性的推导，建立曲面棱镜色散与非线性比的关系；同时将其与自由曲面相结合，利用自由曲面的多自由度和棱镜楔角相合，提高长波处光谱分辨率，将棱镜
色散非线性比提高到1:2，色散近均匀化。
[0023]另外，所述第一自由曲面反射镜2和第二自由曲面反射镜4所采用的自由曲面为XY多项式，XY多项式是在光学设计中较早被应用的自由曲面面型，由于具有非旋转对称性，可以用来描述面型矢高变化较大的曲面，可以灵活控制曲面的对称性用来描述关于某一平面对称的自由曲面，XY多项式的表达式如下：
[0024][0025]式中c为中心点的曲率；k为二次系数；x,y为自由曲面上任意点横、纵坐标，并定义r2＝x2+y2；N为多项式的项数；A
i
为第i项扩展多项式的系数；E
i
(x,y)为x和y的幂级数。
[0026]具体实现中，具体可以根据成对曲面棱镜3的色散特性和自由曲面的计算，求解出满足一定色散非线性比的成对曲面棱镜3结构，具体步骤如下：
[0027]棱镜色散值取决于棱镜的顶角大小和棱镜材料的折射率，棱镜的色散率为Ф(λ)，则Ф(λ)＝dn/dλ，该式表示棱镜材料的折射率随着不同波长的变化，若要校正这种差值引起的色散非均匀性，需使用在同一波段范围内色散差值较大的复合棱镜来进行修正，并计算出合适的角度来满足光谱分辨率要求。
[0028]对于给定系统的色散宽度，若本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大视场校色散非线性光谱成像装置，其特征在于，所述装置包括入射狭缝、第一自由曲面反射镜、成对曲面棱镜、第二自由曲面反射镜、补偿镜和像面，其中：入射光束经过所述入射狭缝发散进入第一自由曲面反射镜，经所述第一自由曲面反射镜反射后的光束进入所述成对曲面棱镜；经所述成对曲面棱镜两次透射和单次反射后的光束再入射到所述第二自由曲面反射镜；其中，所述成对曲面棱镜的反射面作为孔径光阑，且所述成对曲面棱镜设置于光谱仪结构中的次镜位置；经所述第二自由曲面反射镜反射后的光束入射到所述补偿镜，再经所述补偿镜透射后进入所述像面，实现不同波长的色散和单波长的聚焦。2.根据权利要求1所述大视场...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯蕾，何晓英，李雅灿，周锦松，景娟娟，聂博洋，杨雷，
申请(专利权)人：中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：