[发明专利]大口径光栅型成像光谱仪的光学系统及设计方法

说明书

技术领域

本发明属于光学技术领域，主要涉及一种光栅色散型成像光谱仪的光学系统，具体是一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统及设计方法，适用于光学设计、物质探测、成像光谱技术领域。

背景技术

成像光谱仪是20世纪80年代在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的一种能获取物体的二维空间信息和一维光谱信息的“图谱合一”的光学遥感仪器，广泛应用于军事、海洋和地质勘探等领域。成像光谱仪按工作原理可分为色散型、滤光片型、干涉型和计算层析型。其中，色散型成像光谱仪由于原理简洁、性能稳定、技术出现较早而得到了广泛的应用，而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色散均匀、光谱分辨率高、谱线弯曲小、色畸变小等优点，因此光栅型成像光谱仪比棱镜型优势更为明显。

但色散型成像光谱仪普遍存在能量利用率低的问题，因而大口径光学系统有利于增大光通量提高系统探测能力，但是大口径光学系统的像差校正难度大。

光栅型成像光谱仪的光学系统由前置望远物镜及成像光谱系统构成。前置望远物镜中最常用的卡塞格林结构的主要优点是：1)口径大；2)不产生色差且工作波段范围宽；3)光学结构简单。但是传统的卡塞格林结构即使主次镜均采用双曲面，也只能校正两种像差，校正像差能力有限。要达到更好的像差校正效果，需要设计结构更为复杂的望远系统，比如采用非球面，这样加工成本及体积、重量都会相应增加。针对上述问题，本发明提出了一种设计可以在得到较高像质的同时简化系统结构，降低加工难度及成本。

传统利用平面光栅的成像光谱系统只是在某个设计波长及其附近进行了像差校正，而对于整个宽光谱内的其他波长均未进行很好的像差平衡，因此其像差校正能力受到限制，难以得到宽波段范围内各光谱的清晰完善像。

经本发明申请人在一定范围内进行文献检索，未见与本发明相同的公开报道。

发明内容

为了克服现有技术的缺陷和不足，提供了一种提高光通量，能在宽光谱范围内校正像差，成像质量优良，加工难度较低的一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统及设计方法。

传统的望远物镜光学系统和光谱技术经过多年的发展已经较为成熟，但是在光学应用技术领域里，将大口径望远物镜与凸面光栅光谱成像系统组合应用技术还存在一些技术难题有待解决，比如将二者组合后存在整个仪器比例失调的问题。

为了实现发明目的，本发明所采用的技术方案如下：

本发明提出一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统，将大口径的望远物镜引入了成像光谱仪系统，解决了光栅型成像光谱仪光学系统光能利用率低的问题。大口径光栅型成像光谱仪的光学系统包括有望远物镜和光谱成像系统，望远物镜光学系统沿入射光的传播方向依次同轴安装有次镜和主镜。光谱成像系统包括有准直物镜、光栅和成像物镜，光路采用M型结构，本发明的望远物镜为折反射式大口径望远物镜，或者说，望远物镜的光学系统为大口径光学系统，增加了光通量。次镜的前表面的中心镀有反射膜，主镜的整个后表面镀有反射膜；本发明采用折反射式系统，即入射光在望远物镜中经过1次折射、2次反射，解决了大口径透射式系统的长度过长、体积过大、与光谱成像系统组合后整个仪器比例失调的问题。光谱成像系统中的光栅采用凸面光栅，可以在宽光谱范围内校正像差以获得好的成像质量。来自目标物的入射光依次通过次镜折射，经过主镜后表面反射，再经过次镜的前表面的反射后，通过狭缝进入光谱成像系统，狭缝作为视场光阑使物体条带的像通过，遮挡其他部分的光。进入光谱成像系统的入射光经过准直物镜反射后照射到凸面光栅上，凸面光栅将入射光按照垂直于狭缝的方向色散后，由球面反射成像物镜汇聚成像在成像光谱系统像平面上，二维CCD探测器置于成像光谱系统像平面上，这样面阵探测器可得到目标条带像。望远物镜与光谱成像系统相对孔径匹配时，光谱成像系统的数值孔径大于望远物镜的数值孔径，有效防止光学系统产生渐晕。

本发明采用大口径的望远物镜解决了光栅型成像光谱仪光能利用率低的问题。透射式前置望远物镜口径较大时长度较长体积较大，本发明采用了具有反射面的主次镜实现了一折射两反射的结构，既保留大口径系统的优势，且缩短了光学系统的长度，减小了光学系统的体积、避免了透射式望远系统与光谱成像系统组合后整个仪器比例失调的问题。光谱成像系统中的光栅采用凸面光栅，提供了一种结构简单、重量轻、体积小、像差校正能力强、以及光谱分辨率高的光学系统，实现了大口径望远物镜与光谱成像系统的相对孔径空间匹配。

本发明的实现还在于：望远物镜各参数设计通过下述公式进行：