[发明专利]一种柱面消像散光栅色散型成像光谱仪光路结构

说明书

技术领域

本发明涉及光谱仪，尤其涉及光栅色散型成像光谱仪的光路结构。

背景技术

成像光谱技术起源于上世纪70年代初期的多光谱遥感技术，并随着对地观测应用的需要而发展，是综合了成像技术和光谱技术的新兴领域。成像器获取目标的影像信息，追求高清晰度并研究其空间特性；光谱仪则把目标的辐射分离成不同波长的光谱辐射，追求高光谱分辨力，从而对目标进行测量和分析。这两种技术融合的结晶——成像光谱仪能够获取待测目标特定波段的高光谱图像，具有图谱合一的优势。

色散型成像光谱仪一般使用光栅作为分光元件，全反射式的色散型成像光谱仪光路结构具有光谱分辨力高、波段范围宽、可靠性好等优点。但是光路非遮挡的要求决定了全反射式的色散型光谱仪属于离轴光学系统，如图1和图2所示为传统的切尔尼-特纳型光谱仪光路结构：包括狭缝。这类结构的像差较大，无法实现较高的光谱分辨力和成像分辨力。

发明内容

本发明涉及柱面消像散的光栅色散型成像光谱仪，包括狭缝，限制进入光谱仪分光系统的光束大小，其宽度决定光谱仪的光谱分辨力，其高度决定光谱仪的成像维视场角，即单幅光谱图像的成像范围；

准直物镜，将通过狭缝的光反射到光栅上；

光栅，对准直物镜反射过来的平行复色光按波长分成相应衍射角的平行光束组；

成像物镜组，将分光后的平行光束组聚焦至探测器的光敏面处进行分光谱成像；

探测器，二维探测器可以同时接收包含一维光谱信息和一维空间信息的光谱图像。

其中，光学系统中的各个光学元件除狭缝外均采用全反射式光学元件，所有反射元件均镀高反射率膜。

其中，光谱仪通光孔径优选10～150mm；光谱维瞬时视场角优选0.01°～2.0°；扫描视场角在10°～160°范围内。

其中，成像物镜组由球面反射镜和柱面反射镜共同组成。

其中，引入柱面镜消除成像光谱仪在弧矢面内的像散。

为了解决传统全反射式的色散型光谱仪成像分辨力不高的问题，对光谱仪的光路结构进行三处创新：

其一是在不增加光学元件的基础上，将成像物镜与探测器之间的平面反射镜替换为柱面反射镜，利用柱面面型的成像特点消除影响成像光谱仪成像质量最大的像散，而不是利用加工难度很大的超环面镜。

其二是使准直物镜与狭缝之间距离不等于准直物镜的焦距，将该距离参数作为优化参量，即经过准直物镜准直后的光束不是平行光，而是带有一定发散角或者会聚角的非平行光，这种设计使得整个光学系统具有更多的优化变量。

其三是根据式1所示的成像光谱仪像差与光学结构的关系，计算出像差最小的一组结构，式1中符号所代表的意义如图1所示。由式1可推导出当准直物镜2到光栅3的距离为准直物镜焦距的2倍(l₁＝2f′₁)，并且光栅3到成像物镜4的距离为成像物镜组焦距的2倍(l₂＝2f′₂)时成像光谱仪像差系数最小，所以成像光谱仪的像差也就最小。