[发明专利]一种高数值孔径成像光谱仪及其成像方法

说明书

本发明涉及一种高数值孔径成像光谱仪及其成像方法。长入射狭缝获取入射的远心光线，依次经弯月透镜光轴一侧的内表面、外表面，折射后的光线由球面反射镜反射，汇聚光束入射到位于弯月透镜外表面中心处的全息衍射光栅上，分光后的发散光束经自由曲面反射镜进行几何像差补偿后反射，再依次经弯月透镜光轴另一侧的外表面、内表面，在像平面上得到低像散宽视场高光谱分辨率的像。本发明提供的成像光谱系统具有宽视场、高分辨率、低像散、低光谱弯曲和低色畸变的特点，同时具有高数值孔径，集光本领强，且较好的控制了全波段全视场像差，光谱分辨率较高，并实现了极低的光谱弯曲和色畸变，满足宽视场、高分辨率、紧凑体积的遥感探测应用需求。

技术领域

本发明属于光谱成像技术领域，特别涉及一种包含自由曲面的宽视场、高数值孔径、低像散成像光谱仪及其成像方法。

背景技术

宽视场、高分辨率成像光谱技术在精细农业、林业资源调查、火灾预警、水资源污染、矿物勘探等领域有着广阔的应用需求。Offner分光成像系统是使用较为广泛的一种结构，由于光栅的衍射分光破坏了Offner结构的完美对称性，在短狭缝和低数值孔径时像差不大。然而，宽视场和高分辨率成像光谱系统需同时具有长狭缝和高数值孔径，几何像差尤其是像散随狭缝和数值孔径的增大而急剧增加，因此传统Offner结构的成像光谱系统难以同时兼顾宽视场和高分辨率的应用需求。目前，主要的消像差方法是将经典 Offner 分光装架的凹球面反射镜拆分成两块非共面反射镜，并轻微离轴和倾斜，打破原有的同心性，增加设计自由度，通过调整两球面镜的半径比以及倾斜角度可以消除部分像差，但是该方法的消像差效果不明显，增大了系统体积，设计参数并不能满足宽视场高数值孔径的应用需求。本发明将自由曲面反射镜应用于Offner结构分光成像系统，利用其面型的自由度可以校正由于光栅分光破坏系统对称结构引入的像差，同时减小体积。现有技术中，文献《Broadband astigmatism-free Offner imaging spectrometer with high resolution》（applied optics，2020, 59，No.4,Jing Lin, Su Wu, Lei Yu）报道了通过调整两球面镜的半径比以及倾斜角度消除部分像差的技术方案，其数值孔径为0.17，F数为3，狭缝长度为12mm，光谱分辨率为3nm，均方根RMS半径最大为5μm，体积较大。

在本发明作出之前，中国发明专利CN 208902264U发布了一种基于自由曲面及曲面棱镜的成像光谱仪光学系统，其采用了两片自由曲面反射镜，曲面棱镜前后表面为偏轴偏心设置，结构复杂；受限于棱镜的分光能力，光谱通道数为100个。中国实用新型专利CN206469982 U公开了一种凸面光栅Offner-Wynne型分光装置，其狭缝长度达到了100mm，满足了宽视场的应用需求，F数为6.75，即数值孔径仅为0.08。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种具有视场大，数值孔径高，像散低，畸变低，结构简单紧凑，光谱分辨率高的高数值孔径成像光谱仪及其成像方法。

为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为提供一种高数值孔径成像光谱仪，它的光学系统包括弯月透镜、全息衍射光栅、球面反射镜和自由曲面反射镜；

所述弯月透镜弯向光线入射方向，弯月透镜的内表面、外表面为球面，内、外表面的曲率半径之比K₁为0.7≤K₁≤0.9；入射狭缝和像平面位于弯月透镜的内表面一侧，球面反射镜和自由曲面反射镜位于弯月透镜的外表面一侧；入射狭缝和球面反射镜位于弯月透镜光轴的一侧，自由曲面反射镜和像平面位于弯月透镜光轴的另一侧；全息衍射光栅以弯月透镜的外表面为基底制作，位于弯月透镜外表面的中心处，光栅槽型为等间距直线型或曲线型槽；

所述入射狭缝的长度S为20mm≤S≤35mm；

所述球面反射镜与弯月透镜共轴同心，球面反射镜与弯月透镜后表面的曲率半径之比K₂为2≤K₂≤3；