專利名稱：寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及對地觀測領域中成像光譜儀的技術領域，具體涉及一種寬波段平面光 柵色散型成像光譜儀的光學裝置。
背景技術：
光柵色散型成像光譜儀相對于棱鏡色散型成像光譜儀具有光譜分辨率高、色散均 勻的特點，因此光柵色散型成像光譜儀正在得到越來越廣泛的應用。平面光柵與凹面非球 面光柵和凸面光柵相比，具有加工技術成熟、通用性好等優點。隨著光譜儀器的發展，傳 統的平面光柵色散型光譜儀，如光柵單色儀和光譜輻射計等，相繼出現了艾伯特-法斯特 (Ebert-Fastie)型、切爾尼-特納(Czerny-Turner)型、李特洛(Littrow)型等光學結構 型式，但這些現有的平面光柵色散型光譜儀結構，因為有出射狹縫的存在，采用單通道探測 器(如光電倍增管、光電二極管)作為光電轉換器件，通過轉動光柵輸出不同波長的光譜， 通常只對中心波長，即設計波長校正像差；并且由于儀器不要求空間分辨率，殘余像差較 大，沿狹縫長度方向存在很大的像散。而成像光譜儀要求在光柵固定的條件下在寬波段內 同時獲得良好的成像質量，可見，現有的平面光柵色散型成像光譜儀結構不適合成像光譜 儀應用。
發明內容
本發明為解決現有平面光柵光譜儀只對中心波長校正像差且殘余像差較大的缺 陷，沿狹縫長度方向存在很大像散的問題，提供一種寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的 光學裝置。寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學裝置，該裝置包括前置光學系統和 Czerny-Turner光譜成像系統，所述前置光學系統包括孔徑光闌和離軸拋物面鏡；所述 Czerny-Turner光譜成像系統由入射狹縫、球面準直鏡、平面光柵、平面鏡、超環面聚焦鏡、 面陣焦平面探測器組成；所述入射狹縫位于由孔徑光闌和離軸拋物面鏡組成的前置光學系 統的焦面上，通過入射狹縫的出射光投射到球面準直鏡上，經球面準直鏡準直后投射到平 面光柵上，從所述平面光柵出射的衍射光經平面鏡轉折后投射到超環面聚焦鏡上，然后經 所述超環面聚焦鏡聚焦成像到面陣焦平面探測器上。本發明的工作原理本發明所述的離軸拋物面型前置光學系統把遠距離的線狀物 成像在入射狹縫上，這相當于空間遙感系統中，把垂直于推掃方向的遠距離地面的線狀目 標成像于光譜成像系統的入射狹縫上。通過入射狹縫之后的出射光投射到球面準直鏡上， 經球面準直鏡準直后投射到平面光柵上，從光柵出射的衍射光經平面鏡轉折后投射到超環 面聚集鏡上，經超環面聚集鏡聚集成像到面陣焦平面探測器上，形成光譜和圖像的二維分 布。其中平行于狹縫長度方向上為空間維，垂直于狹縫長度方向上為光譜維。本發明的特 點是從寬波段像差同時校正和像散校正兩方面改進了傳統的Czerny-Turner結構，使其滿 足寬波段成像光譜儀的應用要求。利用超環面聚焦鏡在子午和弧矢方向的半徑不同來校正系統的像散。將平面光柵置于聚焦鏡的曲率中心附近來實現寬波段像差同時校正，并為減 小系統體積在平面光柵與超環面聚焦鏡之間加入平面鏡來轉折光路。前置光學系統采用離 軸拋物面，無色差，在滿足成像質量的同時可以簡化系統的結構。本發明的有益效果本發明將離軸拋物面鏡與Czerny-Turner型光譜成像系統匹 配組成成像光譜儀全系統的光路結構。本發明采用平面光柵作為色散元件，利用超環面聚 焦鏡來校正系統的像散，通過調整平面光柵到聚集鏡的距離可以在寬波段內同時獲得良好 的成像質量，避免了設計和加工都比較困難的凹面非球面光柵和凸面光柵，并且降低了成 本。本發明裝置具有寬光譜范圍、高光譜分辨率以及光學結構小型化的特點，特別適合于航 空航天遙感對地觀測領域的高光譜成像系統。
圖1為本發明所述的寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學裝置的光學結構 示意圖；圖2為本發明圖1中所示的超環面聚焦鏡的工作原理圖；圖3為本發明裝置搭載于衛星平臺對地觀測光路計算示意圖。圖中1、孔徑光闌，2、離軸拋物面鏡，3、入射狹縫，4、球面準直鏡，5、平面光柵，6、 平面鏡，7、超環面聚焦鏡，8、面陣焦平面探測器。
具體實施例方式具體實施方式
一、結合圖1和圖2說明本實施方式，寬波段平面光柵色散型成像光 譜儀的光學裝置，該裝置包括前置光學系統和Czerny-Turner光譜成像系統，所述前置光 學系統包括孔徑光闌1和離軸拋物面鏡2 ；所述Czerny-Turner光譜成像系統由入射狹縫 3、球面準直鏡4、平面光柵、平面鏡、超環面聚焦鏡、面陣焦平面探測器組成；所述入射狹縫 3位于由孔徑光闌1和離軸拋物面鏡2組成的前置光學系統的焦面上，通過入射狹縫3的 出射光投射到球面準直鏡4上，經球面準直鏡4準直后投射到平面光柵5上，從所述平面光 柵5出射的衍射光經平面鏡6轉折后投射到超環面聚焦鏡7上，然后經所述超環面聚焦鏡 7聚焦成像到面陣焦平面探測器8上。
具體實施方式
二、結合圖2和圖3所示，本實施方式為具體實施方式
一所述的寬波 段平面光柵色散型成像光譜儀的光學裝置的實施例，包括由孔徑光闌1和離軸拋物面鏡2 組成的前置光學系統以及由入射狹縫3、球面準直鏡4、平面光柵5、平面反射鏡6、超環面聚 焦鏡7和面陣焦平面探測器8組成的光譜成像系統。將本發明裝置搭載于衛星平臺對地面目標進行探測，工作波段350nm 750nm。 結合3，X方向為跨軌方向，即為入射狹縫3的長度方向，Y方向為衛星運行方向，即為入射 狹縫3的寬度方向，Z方向為衛星高度方向；X方向對應地面寬度為25km，衛星軌道高度為 800km。所述前置光學系統采用離軸拋物面鏡2，所述離軸拋物面鏡2的焦距120mm，有效 口徑Φ 20mm;離軸拋物面鏡2的面型參數為半徑_240mm，二次曲面系數-1，離軸量25mm。 入射狹縫3位于前置光學系統的焦平面上，被測目標被成像在入射狹縫3上，所述入射狹縫 3的出射光以一定角度投射到球面準直鏡4上，經球面準直鏡4準直后入射到平面光柵5上；其中球面準直鏡4半徑MOmm，光柵刻線密度為300g/mm，經平面光柵5色散的平行光束 投射到平面鏡6上，最后投射到超環面鏡聚焦鏡7上；結合2所示，所述超環面聚焦鏡的子 午方向的半徑R為-360mm，弧矢方向的半徑P為-343. 725mm。經聚焦投射到面陣焦平面探 測器8表面，所述面陣焦平面探測器8采用高靈敏度大動態范圍的大面陣CCD，為IKX 1K， 像元單元尺寸根據瞬時視場計算，所述CCD圖像采集量化精度為12bit。圖像采集控制及信 號處理采用微型計算機系統，它完成數據采集、存儲及傳輸等功能。在本實施例中，光學系統的總視場角為FOV =幅寬 / 軌道高度=25/800 = 31. 25mrad設光學系統瞬時視場角對應的地面目標尺寸為168m，則可以根據飛行高度計算出 瞬時視場角IFOV = 168/(800 X IO3) = 0. 2Imrad因此瞬時視場角對應的狹縫寬度a可以根據前置光學系統的焦距進行計算a = 0. 21radX 120mm = 25 μ mCXD的像元尺寸d與瞬時視場對應，因此等于狹縫寬度a，即d = 25 μ m。本具體實施例驗證了本發明所采用的超環面聚焦鏡來校正系統的像散，通過調整 平面光柵到超環面聚焦鏡的距離可以在寬波段內同時獲得良好的成像質量。本發明在航空 航天遙感領域有廣泛的應用前景。
權利要求
1.寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學裝置，該裝置包括前置光學系統和 Czerny-Turner光譜成像系統，其特征是，所述前置光學系統包括孔徑光闌(1)和離軸拋物 面鏡O)；所述Czerny-Turner光譜成像系統由入射狹縫(3)、球面準直鏡0)、平面光柵 (5)、平面鏡(6)、超環面聚焦鏡(7)、面陣焦平面探測器(8)組成；所述入射狹縫C3)位于由 孔徑光闌(1)和離軸拋物面鏡( 組成的前置光學系統的焦面上，通過前置光學系統出射 的出射光經入射狹縫C3)后投射到球面準直鏡(4)上，經球面準直鏡(4)準直后出射光投 射到平面光柵( 上，從所述平面光柵(5)出射的衍射光經平面鏡(6)轉折后投射到超環 面聚焦鏡(7)上，然后經所述超環面聚焦鏡(7)聚焦成像到面陣焦平面探測器(8)上。
2.根據權利要求1所述的寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學裝置，其特征在 于，所述平面光柵(5)中心到超環面聚焦鏡(7)頂點的距離為超環面聚焦鏡(7)的子午方 向的半徑R與超環面聚焦鏡(7)離軸角的余弦的乘積值。
3.根據權利要求1或2所述的寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學裝置，其特征 在于，所述超環面聚焦鏡(7)的弧矢方向的半徑P小于超環面聚焦鏡(7)子午方向半徑R。
全文摘要
寬波段平面光柵色散型成像光譜儀的光學裝置涉及對地觀測領域中成像光譜儀的技術領域，它解決了現有平面光柵光譜儀只對中心波長校正像差且殘余像差較大的缺陷，沿狹縫長度方向存在很大像散的問題，本發明由孔徑光闌、離軸拋物面鏡、入射狹縫、球面準直鏡、平面光柵、平面鏡、超環面聚焦鏡和面陣焦平面探測器組成。所述入射狹縫位于由孔徑光闌和離軸拋物面鏡組成的前置光學系統的焦面上，通過入射狹縫的出射光投射到球面準直鏡上，經球面準直鏡準直后投射到平面光柵上，從平面光柵出射的衍射光經平面鏡轉折后投射到超環面聚焦鏡上，然后經超環面聚焦鏡聚焦成像到面陣焦平面探測器上。本發明特別適合于航空航天遙感對地觀測領域的高光譜成像系統。
文檔編號G01J3/28GK102109379SQ20101058582
公開日2011年6月29日 申請日期2010年12月14日 優先權日2010年12月14日
發明者王淑榮, 薛慶生 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所