[发明专利]基于棱镜-光栅-棱镜分光的折反式成像光谱仪光学系统

说明书

技术领域

本发明涉及光学元件、系统，具体是指一种基于棱镜-光栅-棱镜分光的折反式成像光谱仪光学系统。

背景技术

成像光谱仪是一种用来获取目标二维空间信息和光谱信息的仪器，以高光谱分辨率得到目标的光谱图像，用来对目标进行探测识别和物质成分分析等，在国民生产、军事和科学研究等领域应用广泛。

色散型光谱成像系统一般有Offner、Dyson、PGP、棱镜及平面光栅等结构。Offner和Dyson结构狭缝弯曲非常小，是光谱成像系统非常好的选择，但是曲面光栅制造成本高昂。PGP结构是一种棱镜和光栅的组合形式，光栅为透射式体全息相位光栅，光栅基底为一种明胶物质，前后表面粘有保护玻璃。受基底材料和工艺的限制，不易获得宽谱段低刻线数的体积相位光栅。

发明内容

本发明的技术解决问题是：基于上述已有技术存在的一些问题，本发明的目的是提供一种基于棱镜-光栅-棱镜分光的折反式成像光谱仪光学系统，其光谱弯曲低，光学效率高，结构紧凑，谱段选择灵活。

本发明的光学结构示意如图1所示。光学系统由视场光阑及光束转折组件1、准直镜2、分光组件3、会聚镜组4及滤光片5组成。

从视场光阑7处发出的光束发射至准直镜2，光束准直之后经平面反射镜8折转至分光组件3，由会聚镜组4会聚，经滤光片5消二级光谱后，在像平面6上成像。

如图2所示，所述的视场光阑及光束转折组件1由视场光阑7和平面反射镜8贴合而成，平面反射镜8中心开有一条矩形通光槽，其后表面镀有反射膜。

所述的准直镜2为凹球面反射镜。

所述的分光组件3为棱镜-光栅-棱镜形式，其光栅为反射式平面光栅，第一棱镜和第二棱镜分别分布在平面反射光栅的前后，光栅刻线数根据会聚镜组焦距和光敏面上的光谱维长度确定。在光学设计软件中，可将棱镜的某一边设置为倾斜面，将倾斜角度设置为优化量，在优化函数中设置光谱弯曲优化目标，进行自动优化。两个棱镜分别在平面光栅的前和后，棱镜的顶角取值用来校正分光系统光谱弯曲。

所述的会聚镜组4的透镜为球面透镜，用于会聚衍射光束，同时校正准直镜2引入的球差和分光系统的其它像差。分光组件3与会聚镜组4在光轴方向有一定的夹角θ，将此夹角设置为优化量，进行自动优化校正分光系统中残余光谱弯曲。

所述的滤光片5，根据所选择的波段经分光组件3产生的二级光谱的位置和波长，采用局部表面镀前截止膜来消二级光谱。

本发明光学系统的优点是：

1.系统结构紧凑，加工、装校工艺成熟。

2.采用折反式光路结构，准直镜采用凹球面反射镜，减少了光学元件，提高了系统的光学效率，与会聚镜组组合，易于做到大物方数值孔径、长线视场设计。

3.分光组件采用棱镜-光栅-棱镜，棱镜的顶角作为优化变量可校正系统光谱弯曲，亦可获得线性色散光谱；分光组件与会聚镜组在光轴方向上的夹角作为优化变量可校正系统中残余光谱弯曲；采用平面反射光栅，谱段选择不受光栅材料的限制。

附图说明

图1为光谱仪光学系统的结构示意图。

图2为光谱仪光学系统的光路示意图；

图中：

1为视场光阑及光束转折组件；        2为准直镜；

3为分光组件；                      4为会聚镜组；

5为滤光片；                        6为像面；

7为视场光阑；                      8为平面反射镜。

具体实施方式

根据图1的结构示意图，设计了一棱镜-光栅-棱镜分光的折反式光谱仪光学系统，成像质量接近衍射极限，光谱弯曲低。光学系统指标列于表1，光学系统具体设计参数列于表2。

表1