专利名称：大口径光栅型成像光谱仪的光学系统及设计方法
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勻、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CXD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Γι = 2f/β ；(1)r2 = 2af/(l+^) ；(2)d = f (1-α )/β(3)其中α为次镜对主镜的遮拦比，α = Ii2A1，Ill和1 为主、次镜孔径，β为次镜的放大率，β =-L1Zl2, L1S主镜到狭缝的距离，L2S次镜的像距，d为主、次镜之间间距，通过计算得出望远物镜主镜曲率半径A，次镜曲率半径巧，主次镜间距d。本发明所采用的卡塞格林结构计算过程及设计过程均较简单。本发明的实现还在于光谱成像系统参数r准直=r成像=2f,f = fM= f成像参见图1和图3，具体为r4 = r6 = 2f，其中f = f4 = f6，狭缝以及探测器分别放在准直物镜和成像物镜的焦平面处。本发明光谱成像系统采用了对称式的结构，结构简单且可自动消除一部分的像差。本发明的实现还在于光谱成像系统的数值孔径为0. 06，望远物镜的相对孔径为 1/9。本发明的光谱成像系统的数值孔径大于望远物镜的数值孔径主要是为了保证相对孔径空间匹配。本发明还是一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统设计方法，采用改进型卡塞格林物镜形成大口径望远物镜，大口径望远物镜与凸面光栅的光谱成像系统光路连接，构成一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统，具体的设计过程包括步骤1、选用卡塞格林系统为初始结构；步骤2、根据卡塞格林系统像差与遮拦比，放大率的关系，以及要满足主次镜曲率和主次镜间距均小于零的约束条件，计算得到初始结构参量，结构参量包括望远物镜主镜曲率半径。，次镜曲率半径巧，主次镜间距d ；步骤3、在此结构参量基础上，对卡塞格林结构进行改进，包括有主镜1和次镜2均是球面透镜，其中在次镜2的前表面中心直径为A的范围内镀有反射膜，主镜1的整个后表面镀有反射膜；步骤4、采用光学设计软件ZEMAX对结构参量中的主次镜半径I^r2和主次镜间距 d进行优化，具体是将主次镜半径和间距设为变量优化，经过反复的优化，可得到较好的像质，最终完成成像光谱仪望远物镜光学系统的设计。步骤5、根据相对孔径空间匹配的要求，采用光学设计软件ZEMAX设计凸面光栅的光谱成像系统光路参数及结构，整体结构为M型结构，光路参数包括准直物镜曲率半径，凸面光栅的曲率半径，成像物镜曲率半径，以及狭缝、准直物镜、凸面光栅、成像物镜、探测器之间的间距，完成成像光谱仪光谱成像光学系统的设计。本发明的实现还在于步骤2中的初始结构参量需满足Γι < 0，r2 < 0，d < 0，，成像在主、次镜之外，经过反复几次计算，优选取α = 0. 25，β = -3,0 <α<1，β<0表示主镜为凹镜，次镜为凸镜。发明的实现还在于步骤4中的优化过程中应加入工作距和焦距的控制，注意不能单一控制焦距，这样虽然能得到较好的像质，但筒长会明显增加，然后适当的控制遮拦比以增加通光量，经过反复的优化，最终可得到较好的像质。与现有技术相比，本发明的优势在于1)将大口径的望远物镜引入了成像光谱系统，解决了光栅型成像光谱仪光学系统光通量低的问题；2)望远物镜采用折反射式系统，解决了大口径透射式系统筒长过长体积过大、与光谱系统组合后整个仪器比例失调的问题；3)折反射式系统均采用球面反射镜，同时采用球面透镜来校正剩余像差。整个光学系统未使用非球面镜，降低了光学系统的加工难度和成本；4)光谱成像系统采用凸面光栅，可提高系统的光谱分辨率，且可在宽光谱波段范围内进行像差校正；5)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，同时还提供了一种光栅型成像光谱仪的光学系统的设计方法，该设计方法简单且设计效果较好。
图1是本发明光栅型成像光谱的光学结构系统原理示意图；图2是本发明前置望远物镜的光学结构系统原理示意图；图3是本发明光谱成像系统的光学结构系统原理示意具体实施例方式下面结合附图对本发明详细说明实施例1 参见图1，本发明是一种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，本发明的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1和主镜2 ；光谱成像系统包括有准直物镜4、光栅5、和成像物镜6，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，即望远物镜的光学系统为大口径光学系统；在次镜2的前表面的中心镀有反射膜，主镜1的整个后表面镀有反射膜；光学系统经过1次折射、2次反射形成了大口径望远物镜光学系统；解决了大口径透射式系统的长度过长体积过大的问题。本发明将望远物镜与光谱成像系统光路连接构成大口径光栅型成像光谱仪。本发明的光谱成像系统中的光栅采用凸面光栅5，参见图1，来自目标物的入射光通过次镜1折射，依次经过主镜2和次镜1的反射，通过狭缝3，狭缝3作为视场光阑使物体条带的像通过，挡掉其他部分的光。球面准直物镜4反射后照射到色散元件凸面光栅 5上，凸面光栅5将入射光按照垂直于狭缝3的方向色散后，由球面反射成像物镜6汇聚成像在成像光谱仪像平面上，二维CXD探测器7置于成像光谱仪像平面上，这样面阵探测器7 得到的每帧图像是与狭缝3对应的目标条带区域的光谱图像数据。为了满足望远物镜与光谱成像系统相对孔径匹配，光谱成像系统的数值孔径大于望远物镜的数值孔径，以便消除光学系统的渐晕现象和达到合理的匹配。本发明的望远物镜各参数，见图2，各参数设计是通过下述公式进行Γι = 2f/ β(1)r2 = 2af/(l+^)(2)d = f (1-α )/β(3)其中α为次镜对主镜的遮拦比，α = 1 / , Ill和1 为主、次镜孔径，β为次镜的放大率，β = -L1Zl2, L1为主镜到狭缝的距离，L2为次镜到狭缝的距离，d为主、次镜之间间距，通过计算得出望远物镜主镜曲率半径r1;次镜曲率半径r2，主次镜间距d。本发明的光谱成像系统参数主要包括r准直=rm= 2f,f = fmM= f成像参见图1 和图3，具体为r4 = r6 = 2f，其中f = f4 = f6，狭缝以及探测器分别放在准直物镜和成像物镜的焦平面处，参见图3。光谱成像系统的数值孔径为0. 06，望远物镜的数值孔径为1/9。本发明还是一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统设计方法，采用改进型卡塞格林物镜形成大口径望远物镜，大口径望远物镜与凸面光栅的光谱成像系统光路连接，构成一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统，具体的设计过程包括步骤1、选用卡塞格林系统为初始结构；步骤2、根据卡塞格林系统像差与遮拦比，放大率的关系，以及要满足主次镜曲率和主次镜间距均小于零的约束条件，计算得到初始结构参量，结构参量包括望远物镜主镜曲率半径。，次镜曲率半径巧，主次镜间距d。具体参量计算依照公式(1)、(幻、(；3)进行计算。初始结构参量需满足巧<0,r2<0,d< 0，，成像在主、次镜之外，经过反复几次计算， 优选取α = 0. 25，β = _3，0 < α < 1，β < 0表示主镜2为凹镜，次镜1为凸镜。步骤3、在此结构参量基础上，对卡塞格林结构进行改进，包括有主镜1和次镜2均是球面透镜，其中在次镜2的前表面中心直径为A的范围内镀有反射膜，主镜1的整个后表面镀有反射膜，其中反射膜均为全反反射膜。步骤4、采用光学设计软件ZEMAX对结构参量中的主次镜半径I^r2和主次镜间距 d进行优化，具体是将主次镜半径ri、r2和间距d设为变量优化，经过反复的优化，可得到较好的像质，光学设计软件ZEMAX中有焦距和工作距的优化操作数，直接选择键入即可。步骤5、根据相对孔径空间匹配的要求，采用光学设计软件ZEMAX设计凸面光栅的光谱成像系统光路参数及结构，整体结构为M型结构，光路参数包括准直物镜4曲率半径， 凸面光栅5的曲率半径，成像物镜6曲率半径，以及狭缝3、准直物镜4、凸面光栅5、成像物镜6、探测器7之间的间距，完成成像光谱仪光谱成像光学系统的设计。本例中狭缝参数包括光栅刻线密度d为3001/mm，光栅总刻线数N为3000，光栅尺寸10mm。优化过程中应加入工作距和焦距的控制，注意不能单一控制焦距，这样虽然能得到较好的像质，但筒长会明显增加，然后适当的控制遮拦比以增加通光量，经过反复的优化，最终可得到较好的像质。实施例2 大口径光栅型成像光谱仪的光学系统及设计方法同实施例1，利用本发明解决光栅型成像光谱仪光学系统的设计问题。所设计的光栅型成像光谱仪光学系统由前置望远物镜和光谱成像系统组成，望远物镜由主镜2和次镜1组成，主镜2和次镜1均为折反射式透镜，光谱成像系统由狭缝3、 准直物镜4、凸面光栅5以及成像物镜6组成。来自目标物的入射光通过折反射式透镜1、2 成像在狭缝3平面上，狭缝3作为视场光阑使物体条带的像通过，遮挡其他部分的光，目标物的条带像经过球面准直物镜4照射到色散元件凸面光栅5上，经过凸面光栅5在垂直狭缝3方向按波长色散，由球面反射成像物镜6汇聚成像在成像光谱仪像平面上的二维CCD 探测器7上。这样面阵探测器7得到的每帧图像是与狭缝3对应的目标条带区域的光谱图像数据。通过成像光谱仪相对目标运动，让前置望远物镜的目标像依次通过狭缝3，同时记录狭缝3的光谱图像，即得到目标的光谱图像三维数据立方体。本发明的折反射式系统，解决了大口径透射式系统筒长过长体积、与光谱系统组合后整个仪器比例失调的问题。实施例3:大口径光栅型成像光谱仪的光学系统及设计方法同实施例1-2，在该望远物镜中采用本发明设计的改进型卡塞格林物镜，根据光学系统特点，选用卡塞格林系统为初始结构进行设计，设计过程中首先确定入射口径数值，根据卡塞格林系统像差与遮拦比α，放大率β的关系，以及要满足主次镜曲率和主次镜间距d均小于零的约束条件，得到望远物镜设计中的结构参数，经过反复几次计算，最终得到初始结构参量，在此基础上，主次镜均采用球面并用两折射球面透镜补偿像差，本发明采用光学设计软件ZEMAX进行优化，设计过程中将主次镜半径和间距设为变量优化，优化时加入工作距和焦距的控制，然后适当的控制遮拦比以增加通光量，经过反复的优化，可得到较好的像质，设计结果如表1所示，该成像光谱仪可以对380-900nm波段的一级衍射光谱进行高光谱成像，光学系统设计通光口径 100mm,并具有较高的光谱分辨率。该成像光谱仪的光谱成像系统采用凸面光栅作为分光元件，准直物镜与成像物镜均采用球面镜，大大降低了加工成本，整个光谱成像系统光路结构仍采用对称式光路，具有结构简单、重量轻、体积小、像差校正能力强等优点。因此在传统对称式光路中平面光栅的基础上，用一块凸面光栅代替平面光栅，构成了基于凸面光栅的光谱成像系统初始结构，再对该结构的曲率、厚度以及准直物镜和成像物镜的离轴和倾斜进行调整，最终满足了系统的成像质量要求。表1本发明设计的望远系统及分光系统参数
权利要求
1.一种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，所述的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；所述的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，其特征在于望远物镜为折反射式大口径望远物镜；次镜(1)的前表面的中心镀有反射膜，主镜O)的整个后表面镀有反射膜；光谱成像系统中的光栅采用凸面光栅(5)；来自目标物的入射光依次通过次镜(1)折射，经过主镜( 后表面反射，再经过次镜(1)前表面的反射，通过狭缝C3)进入光谱成像系统，进入光谱成像系统的入射光经过准直物镜(4)反射后照射到凸面光栅(5)上，凸面光栅(5)将入射光按照垂直于狭缝(3)的方向色散后，由球面反射成像物镜(6)汇聚成像在成像光谱系统像平面上，二维C⑶探测器(7)置于成像光谱系统像平面上，望远物镜与光谱成像系统相对孔径匹配，光谱成像系统的数值孔径大于望远物镜的数值孔径。
2.根据权利要求1所述的大口径光栅型成像光谱仪的光学系统，其特征在于望远物镜各参数设计通过下述公式进行T1 = 2 /β ； r2 = 2af/(l+^)； d = ·(1-α)/β ；其中α为次镜对主镜的遮拦比，α = Ii2A^h1和Ii2为主、次镜孔径，β为次镜的放大率，β = -L1Zl2, L1为主镜到狭缝的距离，L2为次镜到狭缝的距离，d为主、次镜之间间距， 通过计算得出望远物镜主镜曲率半径。，次镜曲率半径巧，主次镜间距d。
3.根据权利要求2所述的大口径光栅型成像光谱仪的光学系统，其特征在于光谱成像系统参数^ili= rm= 2f，其中f = fM= f^ ，狭缝以及探测器分别放在准直物镜和成像物镜的焦平面处。
4.根据权利要求3所述的大口径光栅型成像光谱仪的光学系统，其特征在于光谱成像系统的数值孔径为0. 06，望远物镜的相对孔径为1/9。
5.一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统设计方法，其特征在于采用改进型卡塞格林物镜形成大口径望远物镜，大口径望远物镜与凸面光栅的光谱成像系统光路连接，构成一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统，具体的设计过程包括步骤1、选用卡塞格林系统为初始结构；步骤2、根据卡塞格林系统像差与遮拦比，放大率的关系，以及要满足主次镜曲率和主次镜间距均小于零的约束条件，计算得到初始结构参量，结构参量包括望远物镜主镜曲率半径巧，次镜曲率半径巧，主次镜间距d ；步骤3、在此结构参量基础上，对卡塞格林结构进行改进，包括有主镜(1)和次镜(2)均是球面透镜，其中在次镜O)的前表面中心直径为D2的范围内镀有反射膜，主镜(1)的整个后表面镀有反射膜；步骤4、采用光学设计软件ZEMAX对结构参量中的主次镜半径I^r2和主次镜间距d进行优化，具体是将主次镜半径和间距设为变量优化，经过反复的优化；步骤5、根据相对孔径空间匹配的要求，采用光学设计软件ZEMAX设计凸面光栅的光谱成像系统光路参数及结构，整体结构为M型结构，光路参数包括准直物镜曲率半径，凸面光栅的曲率半径，成像物镜(6)曲率半径，以及狭缝(3)、准直物镜0)、凸面光栅(5)、成像物镜(6)、探测器(7)之间的间距，完成成像光谱仪望远物镜光学系统的设计。
6.根据权利要求5所述的大口径光栅成像光谱仪的光学系统设计方法，其特征在于 步骤2中的初始结构参量需满足1~1<0，1~2<0，(1<0，，成像在主、次镜之外，取α =0.25， β =-3，0< α <1，β < 0表示主镜为凹镜，次镜为凸镜。
7.根据权利要求6所述的大口径光栅型成像光谱仪的光学系统设计方法，其特征在于步骤4中的优化过程中应加入工作距和焦距的控制。
全文摘要
本发明是一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统及设计方法，本发明采用大口径望远物镜解决了光栅型成像光谱仪能量利用率过低的问题，改进型卡塞格林系统的折反射式结构解决了大口径透射式望远物镜筒长过长、体积过大以及与光谱成像系统组合后整个仪器比例失调的问题。大口径望远物镜与凸面光栅的光谱成像系统组合，构成一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统，在宽波段范围像差校正效果好，获得良好的成像质量。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。本发明在整个光学系统中没有采用非球面镜，降低了整个光学系统的加工难度和成本。本发明适用于成像光谱技术领域。
文档编号G01J3/28GK102538965SQ20121001446
公开日2012年7月4日 申请日期2012年1月17日 优先权日2012年1月17日
发明者于洵, 占春连, 卢飞, 吴玲玲, 尚小燕, 尚杨, 张维光, 李正琪, 李珣, 聂亮, 胡加兴, 路绍军, 郭荣礼, 陈靖, 韩军 申请人:西安工业大学