已经设计了几种高保真成像光谱仪,具有凸衍射光栅,用于从紫外线到热红外线的波长。所有的设计都是远心,可以与平面,三镜子砧座望远镜相结合,也可以用作一体化摄像头。

光谱仪是1970年代早期offner公开的优雅继电器的衍生物。原始的“offner继电器”是由两个同心球面镜组成的掩模对准器,用于将掩模的远心图像突出到半导体晶片上。几年后,恒生建议用衍射光栅更换继电器的凸二手镜,形成成像光谱仪。

1992年,一家意大利公司决定采纳戴文农的建议,为卡西尼号土星任务开发了第一台紧凑型的Offner成像光谱仪。该原型机被称为“VIMS-V”,被交付给喷气推进实验室(JPL),用于集成“可见红外测绘光谱仪”。VIMS-V的光栅是由一家德国公司使用全息记录和离子束铣削技术制造的。光栅也可以用电子束光刻技术制作。

该成像光谱仪/相机在横向越野配置中使用凸光栅,以将失真降低到具有16mm图像的12mm光谱上的小于1%。

最初开发了潜在的光谱仪以克服20世纪50年代后期所吸引的另一个受欢迎的同心光谱仪的固有局限性。Dyson使用凹入光栅并用厚的平面凸透镜控制光学像差,立即放置在狭缝检测器平面前面。不幸的是,该位置的镜头将输入白光直接送到焦平面阵列(FPA)上,并且它不会留出冷挡的空间。没有冷止止,整个光谱仪必须冷却到FPA温度,从而将低温冷却负荷增加10或更多。

冷戴森光谱仪也会对不对准很敏感,因为它的光栅在主光线被透镜做成远心之前,会以大角度反射到光轴上。因此,镜头位置的微小移动就会使图像和光谱发生畸变。例如,在10 μ m的典型位置公差范围内的位移会在只有5毫米长的光谱边缘产生8%的失真。

可接受的未校准失真限制为1%的像素,当光谱限制在小于几毫米宽的窄的环形区域时,在越野时容易控制。列出了少于10nm失真的微型越野设计的两个示例(沿16 mm图像的0.1%的像素)http://focus.software.com/file-exchange/index.html.

失真随着谱长的立方而增加,因此在大面积的fpga上保持性能变得越来越困难。新设计采用了几种Offner配置的变体,以在大范围内保持高性能。在图中所示的设计中,图像长16mm,光谱长12mm,但光谱失真小于一个像素的1%。这是通过倾斜两个侧面Offner配置的继电器反射镜来实现的(光栅和FPA从狭缝线侧向位移)。

在另一种设计中,图像长度为12毫米,光谱长度为16毫米,因此Offner被置于垂直结构中(光栅和FPA在狭缝线上方垂直位移)。一个单一的非球面继电镜有助于控制光学像差。垂直的结构使光栅被分成两部分,分别为正衍射级和负衍射级闪耀。每个部分都为自己的FPA频谱通频带和分辨率进行了优化。这种技术被用于正在为彗星交会任务开发的成像光谱仪中罗塞塔.该光谱仪可以覆盖0.25 - 5 μ m的光谱波段,而不需要二色分光器。二色分束器极大地限制了光谱通频带,特别是当通频带从紫外延伸到红外时。

这项工作是由CALTECH的Francis Reininger完成的NASA的喷气推进实验室

根据公法96-517,承包商选择保留这项发明的所有权。如欲查询其商业使用权,请寄

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Compact,高性能成像仪的光学器件

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Photonics技yabovip16.com术简报杂志

这篇文章首次发表在2001年5月号的Photonics技yabovip16.com术简报杂志。

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