CN108489611A

CN108489611A - 多狭缝棱镜色散光谱仪系统

Info

Publication number: CN108489611A
Application number: CN201810132500.9A
Authority: CN
Inventors: 纪振华; 郑玉权; 王龙; 蔺超; 韦跃峰; 薛浩
Original assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Current assignee: Changchun Institute of Optics Fine Mechanics and Physics of CAS
Priority date: 2018-02-09
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2018-09-04
Anticipated expiration: 2038-02-09
Also published as: CN108489611B

Abstract

本发明公开了一种多狭缝棱镜色散光谱仪系统，包括：多狭缝组件、防尘窗口透镜(L1)，曲面棱镜(L2)、(L3)、(L5)、(L6)，凸面反射镜(L4)，多狭缝组件用于视场拼接和校正光谱仪的谱线弯曲，光线经防尘窗口透镜(L1)、曲面棱镜(L2)、曲面棱镜(L3)的前表面(S5)，被曲面棱镜(L3)的后表面(S6)反射，再次经过曲面棱镜(L3)的前表面(S5)、曲面棱镜(L2)，被凸面反射镜(L4)反射，经曲面棱镜(L5)、曲面棱镜(L6)前表面(S10)透射后，再次被曲面棱镜(L6)的后表面(S11)反射，第二次经过曲面棱镜(L6)的前表面(S10)、曲面棱镜(L5)后成像于焦面上。本发明具有无光谱混叠、能量利用高、体积小、重量轻等优点。

Description

多狭缝棱镜色散光谱仪系统

技术领域

本发明涉及成像光谱技术领域，特别涉及一种多狭缝棱镜色散光谱仪系统。

背景技术

成像光谱技术是获得目标图谱信息的重要手段，在大气、海洋、陆地观测中得到了广泛应用。以棱镜为色散元件的光谱仪出现较早、技术较为成熟，在机载及星载成像光谱仪中得到了大量的使用。目前，传统的棱镜色散型成像光谱仪一般采用单狭缝入射，在其焦面上放置面阵探测器。狭缝在面阵探测器上成单一成像光谱带。随着光谱仪应用的各个领域尤其是航空航天领域对光谱仪的覆盖宽度和光谱范围的要求不断提高，对光谱仪的狭缝长度的要求可达到100mm以上，使所需的面阵探测器的尺寸超过了现有的工艺水平。一般采用光学拼接或机械拼接的方式来解决，光学拼接很难做到很长，相互之间配准的技术难度也大，而机械拼接的过程存在间隙，定位要求极高。此外，随着狭缝长度的增加，光谱仪体积也相应的增大，进而光谱仪的制作成本也相应的提高。因此，如何在不降低仪器性能指标的情况下，大视场宽覆盖，高分辨率的小型光谱仪有着较大的价值。

目前采用单狭缝入射的传统光谱仪为实现大视场依赖大尺寸的焦面探测器，而现有工艺难且成本高。光学拼接及机械拼接是实现大视场的方式，但两者均存在缺陷。采用多狭缝入射也是解决大视场的方案之一，已公开的发明多狭缝凸面光栅成像光谱仪，其色散方式为凸面光栅。

光栅光谱仪具有多级光谱，导致能量利用率低同时非工作级次的衍射光进入光学系统后容易形成杂散光，降低仪器的性能，难以实现宽波段范围。

针对上述缺点，本发明公开了一种多狭缝棱镜色散光谱仪系统，该系统采用Offner同心结构，以Fery棱镜为色散元件可实现多狭缝、宽谱段的光谱探测。该系统具有无光谱混叠、能量利用高、体积小、重量轻等优点。

发明内容

本发明旨在克服现有技术的缺陷，提供一种多狭缝棱镜色散光谱仪系统，包括：多狭缝组件、防尘窗口透镜(L1)，曲面棱镜(L2)、(L3)、(L5)、(L6)，凸面反射镜(L4)，其中曲面棱镜(L2)和(L3)组成棱镜对，曲面棱镜(L5)和(L6)组成棱镜对，所述多狭缝组件用于视场拼接和校正光谱仪的谱线弯曲，系统成像光路的顺序依次为：光线经所述防尘窗口透镜(L1)、曲面棱镜(L2)、曲面棱镜(L3)的前表面(S5)，被曲面棱镜(L3)的后表面(S6)反射，再次经过曲面棱镜(L3)的前表面(S5)、曲面棱镜(L2)，被凸面反射镜(L4)反射，经曲面棱镜(L5)、曲面棱镜(L6)前表面(S10)透射后，再次被曲面棱镜(L6)的后表面(S11)反射，第二次经过曲面棱镜(L6)的前表面(S10)、曲面棱镜(L5)后成像于焦面上。

曲面棱镜(L3)的后表面(S6)及曲面棱镜(L6)的后表面(S11)均涂覆有反射膜

所述防尘窗口透镜(L1)为高透过率透镜，且用于防尘及滤光，所述曲面棱镜组(L2)、(L3)、(L5)、(L6)为系统的色散元件曲面棱镜。

所述防尘窗口透镜(L1)选用融石英材料，用于与所述多狭缝组件形成密闭空间以实现防尘效果，同时镀上分色膜作为滤光片以实现绿光效果。

曲面棱镜(L2)、曲面棱镜(L5)均选用熔石英玻璃，曲面棱镜(L3)、曲面棱镜(L6)均选用火石玻璃。以使该两对棱镜对成为消色散非线性的棱镜对，减小光学系统的体积与重量。

本发明的有益效果在于：本发明公开了一种多狭缝棱镜色散光谱仪系统，该系统采用Offner同心结构，以Fery棱镜为色散元件可实现多狭缝、宽谱段的光谱探测。该系统具有无光谱混叠、能量利用高、体积小、重量轻等优点。

附图说明

图1所示为本发明多狭缝棱镜色散光谱仪系统的光路图。

图2a为如图1所示的本发明多狭缝棱镜色散光谱仪系统400nm传递函数曲线。

图2b为如图1所示的本发明多狭缝棱镜色散光谱仪系统675nm传递函数曲线。

图2c为如图1所示的本发明多狭缝棱镜色散光谱仪系统900nm传递函数曲线。

图3所示为场曲与畸变设计结果图。

图4所示为光谱仪点列图设计结果图。

图5为多狭缝组件结构示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及具体实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，而不构成对本发明的限制。

按本发明附图1所示的光学结构，设计了一个五狭缝棱镜成像光谱仪系统。

在本实施例中，五狭缝棱镜成像光谱仪系统的技术指标如下：

工作波段：400nm～950nm；

系统F数：F/2.8；

狭缝长度：14mm；

下面结合图1具体说明本实施方式。本实施方式由五狭缝组件、防尘窗口透镜L1，曲面棱镜对1(L2、L3)、曲面棱镜对2(L5、L6)及凸面反射镜L4组成，其中防尘窗口透镜L1选用融石英材料，其作用是与五狭缝组件形成密闭空间防止灰尘进入，同时镀分色膜作为滤光片使用。曲面棱镜L2、L5选用熔石英玻璃；曲面棱镜L3、L6选用火石玻璃，熔石英玻璃与火石玻璃形成消色散非线性的棱镜对，减小光学系统的体积与重量。

本实施例中，五狭缝棱镜成像光谱仪系统成像光路的顺序依次为：光线经所述防尘窗口透镜L1、曲面棱镜L2、曲面棱镜L3的前表面S5，被曲面棱镜L3的后表面S6反射，再次经过曲面棱镜L3的前表面S5、曲面棱镜L2，被凸面反射镜L4反射，经曲面棱镜L5、曲面棱镜L6前表面S10透射后，再次被曲面棱镜L6的后表面S11反射，第二次经过曲面棱镜L6的前表面S10、曲面棱镜L5后成像于焦面上。

其中，防尘窗口透镜L1，曲面棱镜对1(L2、L3)、曲面棱镜对2(L5、L6)及凸面反射镜L4的系统结构参数如表1所示：

表1

表1中：

L1是系统第一块透镜，为防尘窗口透镜；

L2是系统第二块棱镜；

L3是系统第三块棱镜；

L4是系统第四块镜片，为反射镜；

L5是系统第五块棱镜；

L6是系统第六块棱镜；

S1为曲面棱镜L1的前表面；

S2为曲面棱镜L1的后表面；

S3为曲面棱镜L2的前表面；

S4为曲面棱镜L2的后表面；

S5为曲面棱镜L3的前表面；

S6为曲面棱镜L3的后表面，镀反射膜；

S7为曲面棱镜L4的前表面；

S8为曲面棱镜L5的前表面；

S9为曲面棱镜L5的后表面

S10为曲面棱镜L6的前表面；

S11为曲面棱镜L6的后表面，镀反射膜；

图2a、2b、2c为本发明光学系统400nm～950nm工作谱段的传递函数曲线，其中所选特征波长为400nm，537.5nm，675nm，812.5nm，950nm，且表明在特征频率27lp/mm时，各波长传递函数大于0.7。系统有很好的成像质量。色畸变小于0.4％。通过弯曲狭缝校正后，谱线弯曲小于1μm。

图4所示为光谱仪点列图设计结果图。解释一下点列图：由一点发出的许多光线经光学系统后，因像差使其与像面的交点不再集中于同一点，而形成了一个散布在一定范围的弥散图形。点列图是现代光学设计中最常用的评价方法之一。在图4中，共有12个视场形成的弥散圆图形，OBJ表示物面，IMA表示像面。弥散圆大小以μm为单位。RMS RADIUS：RMS点尺寸是径向尺寸均方垠。GEO RADIUS：GEO点尺寸给出距离参考点最远点的距离。

图3所示为场曲与畸变设计结果图。解释一下场曲和畸变图：场曲和畸变都是光学系统的像差。图左侧表征场曲，右侧表征畸变。图中场曲曲线显示为视场坐标函数的当前焦平面或像平面到近轴焦面的距离。图中的曲线顶部代表最大视场(角度或高度)，在纵轴上不设置单位，这是因为曲线总是用最大的径向视场来归一化的。此外，需要说明的是标准畸变，标准畸变大小定义为实际主光线高度减去近轴主光线高度值，然后被近轴主光线相除，再乘以100。

图5所示为，多狭缝组件结构示意图，图5中，结构主体1和狭缝2，其中狭缝2的数量为5，且互为并列的直狭缝。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims

1.一种多狭缝棱镜色散光谱仪系统，包括：多狭缝组件、防尘窗口透镜(L1)，曲面棱镜(L2)、(L3)、(L5)、(L6)，凸面反射镜(L4)，其中曲面棱镜(L2)和(L3)组成棱镜对，曲面棱镜(L5)和(L6)组成棱镜对，所述多狭缝组件用于视场拼接和校正光谱仪的谱线弯曲，其特征在于，系统成像光路的顺序依次为：光线经所述防尘窗口透镜(L1)、曲面棱镜(L2)、曲面棱镜(L3)的前表面(S5)，被曲面棱镜(L3)的后表面(S6)反射，再次经过曲面棱镜(L3)的前表面(S5)、曲面棱镜(L2)，被凸面反射镜(L4)反射，经曲面棱镜(L5)、曲面棱镜(L6)前表面(S10)透射后，再次被曲面棱镜(L6)的后表面(S11)反射，第二次经过曲面棱镜(L6)的前表面(S10)、曲面棱镜(L5)后成像于焦面上。

2.如权利要求1所述的多狭缝棱镜色散光谱仪系统，其特征在于，曲面棱镜(L3)的后表面(S6)及曲面棱镜(L6)的后表面(S11)均涂覆有反射膜。

3.如权利要求1或2所述的多狭缝棱镜色散光谱仪系统，其特征在于，所述防尘窗口透镜(L1)为高透过率透镜，且用于防尘及滤光，所述曲面棱镜组(L2)、(L3)、(L5)、(L6)为系统的色散元件曲面棱镜。

4.如权利要求3所述的多狭缝棱镜色散光谱仪系统，其特征在于，所述防尘窗口透镜(L1)选用融石英材料，用于与所述多狭缝组件形成密闭空间以实现防尘效果，同时镀上分色膜作为滤光片以实现绿光效果。

5.如权利要求3所述的多狭缝棱镜色散光谱仪系统，其特征在于，曲面棱镜(L2)、曲面棱镜(L5)均选用熔石英玻璃，曲面棱镜(L3)、曲面棱镜(L6)均选用火石玻璃。