专利名称：：一种棱镜分光成像光谱仪的光学系统的制作方法
技术领域：
：-本发明涉及光学元件和光学系统，具体是指空间遥感短波红外大视场高分辨率超光谱成像仪系统里使用的一种短波红外光谱仪，它用于实现在1.43度视场下，对l)imi2.5pm(即短波红外波段)色散后的64个波段分谱段成像。技术背景高分辨率超光谱成像仪能够同时获取观测目标的空间几何信息和光谱信息，具有独特的信息获取和特征识别能力。超光谱成像仪作为一种重要的对地观测手段，在国民经济、科学研究诸多领域有着广泛的应用前景，高分辨率的超光谱成像仪还具备战略战术侦察能力。目前使用较多的棱镜色散成像光谱仪结构详见图1，这种结构通常由两个离轴非球面反射镜、两个色散棱镜胶合后组成。胶合棱镜透光区内的胶合气泡、不可分离杂质和灰尘直接影响着光谱仪的成像质量，另外其体积和重量增大，对温度敏感性也随之升高。本发明采用了一个离轴球面校正透镜优化结构，利用一个色散棱镜达到系统性能指标。
发明内容目的本发明的目的是设计一个短波红外离轴反射式棱镜色散光谱仪的光学系统，采用了一个离轴球面校正透镜和一个色散棱镜，解决了双胶合棱镜由于胶合缺陷带来的影响。本发明的光学系统光路图详见图2。基本原理是通过望远镜获得的信息通过光谱仪色散成众多的地面光谱线成像在二维探测器上，得到数字化输出图像。成像光路描述和组成地面辐射入射到望远镜，获得地面景物图像，通过入射狭缝成为限定的条式视场入射到光谱仪，用面阵探测器接收入射狭缝的被色散的光谱图像。探测器阵列的行输出空间信息，而列输出光谱信息。光谱仪由两个离轴非球面反射镜、一个色散棱镜和一个校正透镜组成。其中准直离轴反射镜2和成像离轴反射镜4分别为二次双曲面、椭球面，它们的焦距分配需要充分考虑总系统的焦距要求，并分别将光束准直和会聚；色散棱镜两个面的角度设计既要满足系统的光谱分辨率要求，又要满足系统的光谱弯曲和光谱非线性要求，相对其它分光方式优点是分光的光学效率高；校正透镜的设计用来校正轴外大线视场光束的像差，减小光谱弯曲。本发明的优点(1)这种光谱仪设计的变焦比为0.8，增大了望远镜的焦距，降低了望远镜的光学设计难度；变焦比有效放大了狭缝宽度，降低了光校难度。(2)光谱仪的色散后光学系统是根据远心离轴平像场消象散要求设计的。采用此光学系统可以获得大视场经过校正的图像，图像质量更好。在光谱仪入射狭缝一侧是远心光学系统，可以独立光校，容易与望远镜进行匹配。(3)在接近焦面处，采用一个离轴球面校正透镜，通过调节离轴量，在一定的范围内调节光谱仪的畸变，避免了采用大口径同心透镜。球面反射镜可校正场曲，同时也可校正狭缝弯曲。设计中控制反射镜和透镜的光焦度，减小产生的场曲，使图像质量在允许范围内。为了避免产生色差，采用了低折射率的透镜材料。设计结果最大狭缝高所对应的各波长的弯曲矢高接近为28.35um的常量。(4)色散后光学系统采用增大比例的物镜，根据调节畸变校正狭缝弯曲原理来进行设计。虽然用两个反射镜消象散的设计方案会产生畸变，但通过适当地调节望远镜加光谱仪的畸变分布，在CCD像面上可得到直线图像。控制畸变的主要参数是离轴角和光谱仪的焦距(即准直仪、成像器)。通过光谱仪畸变可部分地补偿与波长相关的狭缝弯曲。在给定入射狭缝尺寸的情况下，在色散后光学系统中通过增加准直仪或成像器的焦距，减少色散角和空间视场，使残余像差达到足够小。(5)光谱仪采用一个棱镜分光修正了非线性色散，各个通道的光谱分辨率从18.6nm到28.5nm平均为23.36nm，色散宽度为1.9217mm，满足了光谱分辨率和光谱宽度要求。在棱镜背面镀反射膜，光束直接从棱镜发生反射，取消了利特罗反射镜，简化了结构，减轻了重量。采用非球面和透镜，大大减少了光谱弯曲和光谱非线性。采用光学软件编制宏函数，结合后期数据处理，方便计算光谱弯曲、光谱非线性等。(6)光学容差不敏感，降低了光学加工和光学装调的难度。(7)系统的像面是平的，不需要加场透镜，减少了光学零件数量，提高了光学效率。图1为棱镜色散成像光谱仪结构图。图2为短波红外光谱仪的光路结构示意图中l为狭缝；2为准直离轴反射镜；3为色散棱镜；4为成像离轴反射镜；5为离轴球面校正透镜；6为像面；dl为狭缝和准直离轴反射镜2间隔距离；d2为准直离轴反射镜2和成像离轴反射镜4间隔距离；d3为准直离轴反射镜2与色散棱镜3间隔距离；d4为成像离轴反射镜4与离轴球面校正透镜5间隔距离；d5为离轴球面校正透镜5和像面6间隔距离；Rl为准直离轴反射镜2的顶点曲率半径；R2为成像离轴反射镜4的顶点曲率半径；R3为离轴球面校正透镜5的后表面曲率半径；e卩为准直离轴反射镜2的二次偏心率平方；e为成像离轴反射镜4的二次偏心率平方。具体实施例方式根据图1的光学结构，我们设计了一个短波红外光谱仪，像质接近衍射极限，设计的MTF大于0.75。系统技术指标如表1，光学系统具体设计参数如表2所示。表1<table>tableseeoriginaldocumentpage7</column></row><table>权利要求1.一种棱镜分光短波红外成像光谱仪的光学系统，包括色散棱镜、反射镜和校正透镜，其特征在于所述的光学系统在像面(6)前面有一块用于校正系统场曲与狭缝弯曲的离轴球面校正透镜(5)。2.根据权利要求1所述的一种棱镜分光短波红外成像光谱仪的光学系统，其特征在于所述的离轴球面校正透镜(5)采用低折射率的透镜材料。全文摘要本发明公开了一种棱镜分光短波红外成像光谱仪的光学系统。它采用离轴透镜来校正大视场像差，同时校正了狭缝弯曲和畸变，避免了采用大口径同心透镜，降低了大口径透镜获取难度和加工要求；采用一个色散棱镜来修正非线性色散，满足了光谱分辨率要求，在棱镜背面镀反射膜，光束直接从棱镜发生反射，取消了利特罗反射镜，简化了结构，减轻了重量；采用两个离轴非球面反射镜作为准直和会聚光学元件，通过调节离轴角和光谱仪的焦距控制了畸变，从而补偿了与波长相关的狭缝弯曲，并减小了残余像差。文档编号G01J3/02GK101672694SQ20091019730公开日2010年3月17日申请日期2009年10月16日优先权日2009年10月16日发明者丁学专,于茂华,刘成林,刘银年,波杨,欣王,王建宇,王跃明申请人:中国科学院上海技术物理研究所