[發(fā)明專(zhuān)利]一種自由曲面光譜儀光學(xué)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010441702.9
• 申請(qǐng)日: 2020-05-22
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN111562007A
• 公開(kāi)（公告）日: 2020-08-21
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 袁立銀;謝佳楠;何志平
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
• 主分類(lèi)號(hào): G01J3/28
• 分類(lèi)號(hào): G01J3/28;G01J3/02;G01J3/18
• 代理公司: 上海滬慧律師事務(wù)所 31311
• 代理人: 郭英

本發(fā)明公開(kāi)了一種自由曲面光譜儀光學(xué)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法，由視場(chǎng)光欄、自由曲面準(zhǔn)直鏡、平面光柵、會(huì)聚鏡、探測(cè)器窗口和濾光片組成。其中會(huì)聚鏡包括兩個(gè)自由曲面反射鏡和一個(gè)校正透鏡。來(lái)自物方的光線從視場(chǎng)光欄出發(fā)，經(jīng)準(zhǔn)直鏡反射后到達(dá)光柵，經(jīng)其衍射后再經(jīng)過(guò)會(huì)聚鏡的第一自由曲面鏡反射，至第二自由曲面鏡反射，至校正透鏡折射，再至杜瓦窗口和濾光片，最終到達(dá)像面。自由曲面反射鏡和校正透鏡組合，有利于進(jìn)一步校正光譜畸變和像質(zhì)。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：光路布局方便，畸變低，像差校正能力強(qiáng)，像面傾斜小，也能適應(yīng)長(zhǎng)狹縫和小F數(shù)設(shè)計(jì)需求，有光焦度的光學(xué)元件之間光軸平行，較易裝調(diào)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及光學(xué)系統(tǒng)和光學(xué)設(shè)計(jì)，特別是指一種自由曲面光譜儀光學(xué)系統(tǒng)及其設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)

用于成像光譜儀中的光譜儀，其光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)需要考慮到對(duì)像質(zhì)、瞳位和畸變等的控制。用曲面光柵分光的光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，在像質(zhì)和畸變的控制上表現(xiàn)比較好，但曲面光柵對(duì)超精密制造要求比較高，制作成本比較高。得益于現(xiàn)代超精密加工技術(shù)的發(fā)展，高精度自由曲面的加工制造變得易于實(shí)現(xiàn)，因此基于自由曲面等復(fù)雜面型的平面光柵分光光譜儀也是可選的高性能方案。

現(xiàn)有技術(shù)存在的主要問(wèn)題是：曲面光柵相比于平面光柵，研制難度和成本較高；現(xiàn)有的自由曲面光譜儀光學(xué)系統(tǒng)F數(shù)和視場(chǎng)適應(yīng)性較弱、殘余像差和畸變較大，自由曲面與最接近旋轉(zhuǎn)曲面的矢高相差較大不利于加工，或者各光學(xué)元件之間有一定傾斜不利于結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和裝調(diào)；對(duì)于共用望遠(yuǎn)鏡的多通道光譜儀以及物像同側(cè)的光譜儀，其狹縫處的空間往往不方便探測(cè)器布局，需要進(jìn)行光路折轉(zhuǎn)。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的是彌補(bǔ)現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種自由曲面光譜儀光學(xué)系統(tǒng)及設(shè)計(jì)方法。

為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：

圖1是本發(fā)明的光譜儀光路示意圖，光譜儀光學(xué)系統(tǒng)由視場(chǎng)光欄1、自由曲面準(zhǔn)直鏡2、平面光柵3、會(huì)聚鏡4、探測(cè)器窗口5和濾光片6組成，會(huì)聚鏡4由第一自由曲面鏡4.1、第二自由曲面鏡4.2和校正透鏡4.3組成。

來(lái)自物方的光線從視場(chǎng)光欄1出發(fā)，經(jīng)自由曲面準(zhǔn)直鏡2反射后到達(dá)平面光柵3，經(jīng)其衍射后再經(jīng)過(guò)會(huì)聚鏡4的第一自由曲面鏡4.1反射，至第二自由曲面鏡4.2反射，至校正透鏡4.3折射，再至探測(cè)器窗口5和濾光片6，最終到達(dá)像面。

本發(fā)明中的坐標(biāo)原點(diǎn)在自由曲面準(zhǔn)直鏡2的頂點(diǎn)處，其余元件相對(duì)于它有一定離軸量。自由曲面準(zhǔn)直鏡2、平面光柵3、第一自由曲面鏡4.1、第二自由曲面鏡4.2、校正透鏡4.3、探測(cè)器窗口5和濾光片6，光軸平行，沒(méi)有傾斜，只有子午向的離軸。

自由曲面準(zhǔn)直鏡2、第一自由曲面鏡4.1和第二自由曲面鏡4.2，面型是關(guān)于y軸對(duì)稱(chēng)的光滑曲面，可以用擴(kuò)展多項(xiàng)式表達(dá)。鏡件選用鋁或者是硅作為基底材料，采用金剛石單點(diǎn)車(chē)削加拋光技術(shù)加工，采用CGH全息檢測(cè)。

本發(fā)明中的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法是：根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)，計(jì)算初始參數(shù)，包括自由曲面準(zhǔn)直鏡2和會(huì)聚鏡4的第一自由曲面鏡4.1的初始球面曲率、平面光柵3的參數(shù)以及元件間隔等，建立車(chē)爾尼-特納光譜儀模型；設(shè)置反射鏡面型為自由曲面，控制準(zhǔn)直鏡后的出射光線的準(zhǔn)直性、像質(zhì)以及元件干涉等，優(yōu)化；加入校正透鏡4.3，增加控制光譜彎曲和8色畸變，優(yōu)化；加入第二自由曲面鏡4.2折轉(zhuǎn)光路，優(yōu)化。

由于上述技術(shù)方案的使用，本發(fā)明的一種自由曲面光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是：系統(tǒng)中加入了第二自由曲面鏡4.2，校正像差能力強(qiáng)，加入了校正透鏡，畸變校正能力強(qiáng)，可適用于較小F數(shù)和長(zhǎng)狹縫的設(shè)計(jì)需求；會(huì)聚鏡中加入具有弱光焦度的第二自由曲面鏡4.2，將像面轉(zhuǎn)向，避免物像同側(cè)時(shí)探測(cè)器難以安放的問(wèn)題，尤其在紅外譜段以及在共用主光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的多通道成像光譜儀的設(shè)計(jì)中，能有效拓寬后方的探測(cè)器布局空間；自由曲面與最接近旋轉(zhuǎn)曲面的矢高偏差較小，比較適合于金剛石單點(diǎn)車(chē)削，加工中用CGH檢測(cè)，其加工難度與非球面接近；各個(gè)有光焦度的光學(xué)元件的光軸平行，光學(xué)元件正軸加工，控制好鏡件的結(jié)構(gòu)加工精度，則結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與光學(xué)裝調(diào)相對(duì)于偏軸系統(tǒng)，比較容易實(shí)現(xiàn)。