[发明专利]自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统

说明书

本发明公开了一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统，包括：狭缝、主镜、凸面反射光栅、三镜和探测器，凸面反射光栅作为系统的孔径光阑；系统为像方远心结构，经过狭缝的入射到主镜后发生反射，经过反射后入射到凸面光，光线在凸面光栅处发生衍射，不同波长的一级衍射光入射到三镜上，并被三镜反射后到达探测器。系统采用自由曲面面形，主镜、凸面反射光栅与三镜均不存在偏心和倾斜，且主镜和三镜采用相同的面形结构，主镜和三镜构成一整块大的自由曲面反射镜，且该自由曲面反射镜和凸面反射光栅是同心配置。上述系统的结构简单，避免了由于反射镜倾斜和偏心给系统装调和对准带来的困难；还能有效的矫正球面Offner凸面光栅光谱系统很难矫正的残余像差。

技术领域

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统。

背景技术

光谱成像技术是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，它能够获得被探测目标的二维空间信息和一维光谱信息，形成数据立方体。光谱成像技术在军事侦察及农、林、水、土、矿灯资源调查等方面有着广阔的应用前景。

Offner凸面光栅光谱成像系统是一种常见的光谱成像仪器，其是在反射式Offner中继成像系统基础上发展起来的，由两个凹球面反射镜和一个凸球面光栅组成。然而当前Offner凸面光栅系统采用球面结构，特别是在大视场、大数值孔径和宽谱段的情况下，残余像差像散很难得到矫正。另外，由于系统采用了衍射光栅破坏了Offner系统本身的同心结构的对称性，使得镜片发生倾斜和偏心，给系统装调带来了困难。

自由曲面光学元件具有非对称结构形式，能够提供灵活的空间布局，相对球面和非球面光学元件拓展了优化自由度，提升了光学系统的相差平衡能力，从而显著改善光学系统的视场适应能力。在Offner凸面光栅成像光谱仪中引入自由曲面，利用其光学特性能够有效的增大光学系统的视场，使得Offner成像系统仍保持同心结构系统，实现整个光谱单台相机即可实现高分辨率、小型化、轻量化和高稳定性的要求；同时可以改善传统球面成像光谱系统的慧差、象散、谱线弯曲和谱带弯曲。将有效解决现有成像光谱系统覆盖范围小，相对孔径小等问题，为机载、星载高光谱成像探测系统研制奠定技术基础，具有极其重要的民用和军事应用价值。

目前主要有如下两种方案：

1)王保华等“机载轻小型高分辨率成像光谱仪光学系统设计”光学学报，Vol.35,NO.10 2015.10.其采用全球面的Offner凸面光栅光谱成像系统。该方案其为了提高成像质量，将offner系统的主镜和三镜一分为二，且存在一定的偏心和倾斜，给系统的对准和装调带来很大的困难，且光谱范围与狭缝长度较小。

2)Jacob Reimers，“Freeform spectrometer enabling increasedompactness”，Light:ScienceApplications(2017)6,e17026。该设计虽然也采用了自由曲面，能够更好的矫正残余像差，且设计得到的光谱成像系统的体积比传统球面Offner光谱成像系统缩小了5倍。但狭缝长度较短仅为10mm，光谱范围较窄，且主镜和三镜分开，元件存在偏心和倾斜，给系统装调带来困难。

发明内容

本发明的目的是提供一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统，能够实现长狭缝、高数值孔径和宽谱段范围的情况下，系统的像差相对球面系统有显著的提高。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种自由曲面Offner凸面光栅光谱成像系统，包括：狭缝、主镜、凸面反射光栅、三镜和探测器，其中，凸面反射光栅作为整个系统的孔径光阑；

系统为像方远心结构，经过狭缝的入射到主镜后发生反射，经过反射后入射到凸面光，光线在凸面光栅处发生衍射，不同波长的一级衍射光入射到三镜上，并被三镜反射后到达探测器。