[实用新型]高信杂比宽谱段双狭缝光谱仪

说明书

本专利公开了一种高信杂比宽谱段双狭缝光谱仪，系统由双狭缝组件、准直自由曲面镜、曲面棱镜、成像自由曲面镜、分谱段折转镜、谱段一探测器和谱段二探测器组成。曲面棱镜在宽谱段内具有高的效率，折射率差色散分光具有高的信号光杂散光比例(信杂比)，利用曲面棱镜加自由曲面镜实现物面处相互分离的双狭缝的分光成像于不同谱段的探测器焦面上。系统成像质量优良、结构简单，可以有效地解决光谱仪不同谱段信杂比和分辨率的矛盾。

技术领域

本专利涉及成像光谱仪领域，尤其涉及一种高信杂比宽谱段双狭缝光谱仪光学系统。

背景技术

分光技术一直是光谱仪系统的核心，光栅和棱镜是近年来的主流分光手段。光栅分光所用光学元件少，光谱线性好，缺点是光栅一般使用第一级光谱，光能利用率低，衍射效率在宽谱段内不能提高，导致系统光能利用率低，杂散光较严重。棱镜通过不同波段折射率差使不同波长的出射光有不同的角度，从而发生色散，具有一定的非线性，需要后期校正，但棱镜一般由普通的玻璃材料组成，在宽谱段内有较高的透过率，对光能利用率很高，信号光杂散光比例(信杂比)大，并且对光偏振性不敏感。

近年来随着超精密光学加工、制造和检测技术的显著进步，复杂的曲面棱镜和复杂的光学表面的高精度加工、检测和装调成为了可能，利用棱镜色散分光加上复杂光学表面大的设计自由度有效地校正光谱仪系统的各种成像像差和畸变，可构建性能优良的高信杂比宽谱段光谱仪系统。

传统的宽谱段棱镜光谱仪的使用方案常有两种：一为对单狭缝分光成像，在接近焦面探测器位置利用分色片实现不同谱段的分离，然后在各自焦面处利用对应该谱段的探测器接收信号，该方案存在进入系统总能量有限并且分色片膜系曲线交界区域存在信噪比低的问题。二为双狭缝分光成像，利用两个光谱仪分别实现单个狭缝不同谱段的分光成像，并且通过狭缝处折转镜的折转实现两个后光路光谱仪的合理布置，该方案进入系统总能量加倍，也不存在分色片的交叠区域问题，但是系统的体积重量较为庞大、且复杂性较高。

发明内容

本专利提供了一种高信杂比宽谱段双狭缝光谱仪，利用曲面棱镜分光，自由曲面分别充当准直镜和成像镜，单个光谱仪实现处于物面位置相互分离一定距离的双狭缝的分光成像，在两狭缝各自的色散成像焦面位置，分别用不同的波段的探测器接收信号，实现不同谱段的光谱成像。

本专利一种高信杂比宽谱段双狭缝光谱仪包括双狭缝组件1、准直自由曲面镜2、曲面棱镜3、成像自由曲面镜4、分谱段折转镜5、谱段一探测器6和谱段二探测器7。地物目标反射的光线经过双狭缝组件1入射到准直自由曲面镜2，而后经准直自由曲面镜2反射至曲面棱镜3的前表面透射，在曲面棱镜3的后表面内反射，再次透射经过曲面棱镜3的前表面后在成像自由曲面镜4上反射聚焦。其中，经双狭缝组件1下方狭缝入射的光经分谱段折转镜5反射至谱段一探测器6接收，经双狭缝组件1上方狭缝入射的光直接入射至谱段二探测器7探测接收。

所述的双狭缝组件1包含平行且相离一定距离的两条狭缝，根据不同的使用波段和不同的分辨率要求可以设置成不同的缝宽。

所述的准直自由曲面镜2和成像自由曲面镜4为不具旋转对称，但为关于两狭缝的中心连线轴对称的光学表面。

根据使用的谱段，曲面棱镜材料选用高透过率的光学玻璃，不存在多级光谱，因而系统具有较宽的成像谱段和较高的信杂比，曲面棱镜的前后表面偏心设置，自由曲面准直镜和自由曲面成像镜为不具旋转对称的xy多项式光学表面，如公式1所示，采用金刚石单点车削加工，配以CGH补偿器进行高精度面型检测。

本专利中提到的系统，由于双狭缝的使用，避免使用分色片分光，不存在光谱重叠区域，系统全谱段内都具有较高的信杂比。并且双狭缝设置，不同波段可以使用不同的狭缝宽度，更加可以有效地解决光谱仪信杂比和分辨率的矛盾。利用光学自由曲面大的设计自由度，校正物方双狭缝分离带来的较大面视场的离轴像差、光谱畸变和谱线弯曲等，系统成像质量优良、结构简单。

附图说明