亚星游戏官网-www.yaxin868.com

专利名称：宽波段平面光栅色散型成像光谱仪的光学装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及对地观测领域中成像光谱仪的技术领域，具体涉及一种宽波段平面光 栅色散型成像光谱仪的光学装置。
背景技术：
光栅色散型成像光谱仪相对于棱镜色散型成像光谱仪具有光谱分辨率高、色散均 勻的特点，因此光栅色散型成像光谱仪正在得到越来越广泛的应用。平面光栅与凹面非球 面光栅和凸面光栅相比，具有加工技术成熟、通用性好等优点。随着光谱仪器的发展，传 统的平面光栅色散型光谱仪，如光栅单色仪和光谱辐射计等，相继出现了艾伯特-法斯特 (Ebert-Fastie)型、切尔尼-特纳(Czerny-Turner)型、李特洛(Littrow)型等光学结构 型式，但这些现有的平面光栅色散型光谱仪结构，因为有出射狭缝的存在，采用单通道探测 器(如光电倍增管、光电二极管)作为光电转换器件，通过转动光栅输出不同波长的光谱， 通常只对中心波长，即设计波长校正像差；并且由于仪器不要求空间分辨率，残余像差较 大，沿狭缝长度方向存在很大的像散。而成像光谱仪要求在光栅固定的条件下在宽波段内 同时获得良好的成像质量，可见，现有的平面光栅色散型成像光谱仪结构不适合成像光谱 仪应用。

发明内容
本发明为解决现有平面光栅光谱仪只对中心波长校正像差且残余像差较大的缺 陷，沿狭缝长度方向存在很大像散的问题，提供一种宽波段平面光栅色散型成像光谱仪的 光学装置。宽波段平面光栅色散型成像光谱仪的光学装置，该装置包括前置光学系统和 Czerny-Turner光谱成像系统，所述前置光学系统包括孔径光阑和离轴抛物面镜；所述 Czerny-Turner光谱成像系统由入射狭缝、球面准直镜、平面光栅、平面镜、超环面聚焦镜、 面阵焦平面探测器组成；所述入射狭缝位于由孔径光阑和离轴抛物面镜组成的前置光学系 统的焦面上，通过入射狭缝的出射光投射到球面准直镜上，经球面准直镜准直后投射到平 面光栅上，从所述平面光栅出射的衍射光经平面镜转折后投射到超环面聚焦镜上，然后经 所述超环面聚焦镜聚焦成像到面阵焦平面探测器上。本发明的工作原理本发明所述的离轴抛物面型前置光学系统把远距离的线状物 成像在入射狭缝上，这相当于空间遥感系统中，把垂直于推扫方向的远距离地面的线状目 标成像于光谱成像系统的入射狭缝上。通过入射狭缝之后的出射光投射到球面准直镜上， 经球面准直镜准直后投射到平面光栅上，从光栅出射的衍射光经平面镜转折后投射到超环 面聚集镜上，经超环面聚集镜聚集成像到面阵焦平面探测器上，形成光谱和图像的二维分 布。其中平行于狭缝长度方向上为空间维，垂直于狭缝长度方向上为光谱维。本发明的特 点是从宽波段像差同时校正和像散校正两方面改进了传统的Czerny-Turner结构，使其满 足宽波段成像光谱仪的应用要求。利用超环面聚焦镜在子午和弧矢方向的半径不同来校正系统的像散。将平面光栅置于聚焦镜的曲率中心附近来实现宽波段像差同时校正，并为减 小系统体积在平面光栅与超环面聚焦镜之间加入平面镜来转折光路。前置光学系统采用离 轴抛物面，无色差，在满足成像质量的同时可以简化系统的结构。本发明的有益效果本发明将离轴抛物面镜与Czerny-Turner型光谱成像系统匹 配组成成像光谱仪全系统的光路结构。本发明采用平面光栅作为色散元件，利用超环面聚 焦镜来校正系统的像散，通过调整平面光栅到聚集镜的距离可以在宽波段内同时获得良好 的成像质量，避免了设计和加工都比较困难的凹面非球面光栅和凸面光栅，并且降低了成 本。本发明装置具有宽光谱范围、高光谱分辨率以及光学结构小型化的特点，特别适合于航 空航天遥感对地观测领域的高光谱成像系统。


图1为本发明所述的宽波段平面光栅色散型成像光谱仪的光学装置的光学结构 示意图；图2为本发明图1中所示的超环面聚焦镜的工作原理图；图3为本发明装置搭载于卫星平台对地观测光路计算示意图。图中1、孔径光阑，2、离轴抛物面镜，3、入射狭缝，4、球面准直镜，5、平面光栅，6、 平面镜，7、超环面聚焦镜，8、面阵焦平面探测器。
具体实施例方式具体实施方式
一、结合图1和图2说明本实施方式，宽波段平面光栅色散型成像光 谱仪的光学装置，该装置包括前置光学系统和Czerny-Turner光谱成像系统，所述前置光 学系统包括孔径光阑1和离轴抛物面镜2 ；所述Czerny-Turner光谱成像系统由入射狭缝 3、球面准直镜4、平面光栅、平面镜、超环面聚焦镜、面阵焦平面探测器组成；所述入射狭缝 3位于由孔径光阑1和离轴抛物面镜2组成的前置光学系统的焦面上，通过入射狭缝3的 出射光投射到球面准直镜4上，经球面准直镜4准直后投射到平面光栅5上，从所述平面光 栅5出射的衍射光经平面镜6转折后投射到超环面聚焦镜7上，然后经所述超环面聚焦镜 7聚焦成像到面阵焦平面探测器8上。
具体实施方式
二、结合图2和图3所示，本实施方式为具体实施方式
一所述的宽波 段平面光栅色散型成像光谱仪的光学装置的实施例，包括由孔径光阑1和离轴抛物面镜2 组成的前置光学系统以及由入射狭缝3、球面准直镜4、平面光栅5、平面反射镜6、超环面聚 焦镜7和面阵焦平面探测器8组成的光谱成像系统。将本发明装置搭载于卫星平台对地面目标进行探测，工作波段350nm 750nm。 结合3，X方向为跨轨方向，即为入射狭缝3的长度方向，Y方向为卫星运行方向，即为入射 狭缝3的宽度方向，Z方向为卫星高度方向；X方向对应地面宽度为25km，卫星轨道高度为 800km。所述前置光学系统采用离轴抛物面镜2，所述离轴抛物面镜2的焦距120mm，有效 口径Φ 20mm;离轴抛物面镜2的面型参数为半径_240mm，二次曲面系数-1，离轴量25mm。 入射狭缝3位于前置光学系统的焦平面上，被测目标被成像在入射狭缝3上，所述入射狭缝 3的出射光以一定角度投射到球面准直镜4上，经球面准直镜4准直后入射到平面光栅5上；其中球面准直镜4半径MOmm，光栅刻线密度为300g/mm，经平面光栅5色散的平行光束 投射到平面镜6上，最后投射到超环面镜聚焦镜7上；结合2所示，所述超环面聚焦镜的子 午方向的半径R为-360mm，弧矢方向的半径P为-343. 725mm。经聚焦投射到面阵焦平面探 测器8表面，所述面阵焦平面探测器8采用高灵敏度大动态范围的大面阵CCD，为IKX 1K， 像元单元尺寸根据瞬时视场计算，所述CCD图像采集量化精度为12bit。图像采集控制及信 号处理采用微型计算机系统，它完成数据采集、存储及传输等功能。在本实施例中，光学系统的总视场角为FOV =幅宽 / 轨道高度=25/800 = 31. 25mrad设光学系统瞬时视场角对应的地面目标尺寸为168m，则可以根据飞行高度计算出 瞬时视场角IFOV = 168/(800 X IO3) = 0. 2Imrad因此瞬时视场角对应的狭缝宽度a可以根据前置光学系统的焦距进行计算a = 0. 21radX 120mm = 25 μ mCXD的像元尺寸d与瞬时视场对应，因此等于狭缝宽度a，即d = 25 μ m。本具体实施例验证了本发明所采用的超环面聚焦镜来校正系统的像散，通过调整 平面光栅到超环面聚焦镜的距离可以在宽波段内同时获得良好的成像质量。本发明在航空 航天遥感领域有广泛的应用前景。
权利要求
1.宽波段平面光栅色散型成像光谱仪的光学装置，该装置包括前置光学系统和 Czerny-Turner光谱成像系统，其特征是，所述前置光学系统包括孔径光阑(1)和离轴抛物 面镜O)；所述Czerny-Turner光谱成像系统由入射狭缝(3)、球面准直镜0)、平面光栅 (5)、平面镜(6)、超环面聚焦镜(7)、面阵焦平面探测器(8)组成；所述入射狭缝C3)位于由 孔径光阑(1)和离轴抛物面镜( 组成的前置光学系统的焦面上，通过前置光学系统出射 的出射光经入射狭缝C3)后投射到球面准直镜(4)上，经球面准直镜(4)准直后出射光投 射到平面光栅( 上，从所述平面光栅(5)出射的衍射光经平面镜(6)转折后投射到超环 面聚焦镜(7)上，然后经所述超环面聚焦镜(7)聚焦成像到面阵焦平面探测器(8)上。
2.根据权利要求1所述的宽波段平面光栅色散型成像光谱仪的光学装置，其特征在 于，所述平面光栅(5)中心到超环面聚焦镜(7)顶点的距离为超环面聚焦镜(7)的子午方 向的半径R与超环面聚焦镜(7)离轴角的余弦的乘积值。
3.根据权利要求1或2所述的宽波段平面光栅色散型成像光谱仪的光学装置，其特征 在于，所述超环面聚焦镜(7)的弧矢方向的半径P小于超环面聚焦镜(7)子午方向半径R。
全文摘要
宽波段平面光栅色散型成像光谱仪的光学装置涉及对地观测领域中成像光谱仪的技术领域，它解决了现有平面光栅光谱仪只对中心波长校正像差且残余像差较大的缺陷，沿狭缝长度方向存在很大像散的问题，本发明由孔径光阑、离轴抛物面镜、入射狭缝、球面准直镜、平面光栅、平面镜、超环面聚焦镜和面阵焦平面探测器组成。所述入射狭缝位于由孔径光阑和离轴抛物面镜组成的前置光学系统的焦面上，通过入射狭缝的出射光投射到球面准直镜上，经球面准直镜准直后投射到平面光栅上，从平面光栅出射的衍射光经平面镜转折后投射到超环面聚焦镜上，然后经超环面聚焦镜聚焦成像到面阵焦平面探测器上。本发明特别适合于航空航天遥感对地观测领域的高光谱成像系统。
文档编号G01J3/28GK102109379SQ20101058582
公开日2011年6月29日 申请日期2010年12月14日 优先权日2010年12月14日
发明者王淑荣, 薛庆生 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所