CN104330158A - 一种偏轴球面蓝宝石棱镜中波红外成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于偏轴球面蓝宝石棱镜分光的中波红外成像光谱仪，光谱仪由狭缝、凹面反射镜、球面蓝宝石棱镜、凹面反射镜、探测器光敏元组成；所述的第一凹面反射镜为凹扁球形反射镜，所述球面蓝宝石棱镜第一面为透射球面，所述球面蓝宝石棱镜第二面为内反射面，所述的第二凹面反射镜为椭球形反射镜；所述狭缝与第一凹面反射镜相对排列，第一凹面反射镜与球面蓝宝石棱镜相对排列，球面蓝宝石棱镜与第二凹面反射镜相对排列，第二凹面反射镜与探测器光敏元相对排列；采用本发明的中波红外高光谱成像仪体积紧凑，像质好，集光能力强，光学效率高，可以应用于化学气体探测、矿物探测等领域。

Description

一种偏轴球面蓝宝石棱镜中波红外成像光谱仪

技术领域

本发明涉及一种中波红外成像光谱仪，具体涉及一种偏轴球面蓝宝石棱镜中波红外成像光谱仪。

背景技术

高光谱成像技术在遥感领域有着重要应用，目前公开的高光谱成像仪主要工作在可见光、近红外、短波红外波段。中波红外高光谱成像仪技术难度大，目前仅见的技术方案是利用光栅分光。

光栅分光成像光谱仪分为平面光栅、凹面光栅、凸面光栅三种，相比较而言，基于平面光栅和凹面光栅的成像光谱仪存在较严重的光谱弯曲；而中波红外凸面光栅成像光谱仪虽然像质好，但刻线密度通常较低，实现闪耀的成本很高。

目前仅见公开的芬兰Specim公司研制M50中波成像光谱仪的光学效率约为40％。

本发明提出的基于偏轴球面蓝宝石棱镜的成像光谱仪，像质优良，光学效率高(可以达到80％以上)，可以广泛应用于中波红外高光谱成像仪的研制与应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种像质优良、分光效率高的中波红外成像光谱仪，解决现有光谱仪存在的光学效率低、成像质量不理想的技术问题。

本发明所采用的技术方案是：一种棱镜光谱仪系统，参见图1，采用离轴折反式光学结构，光线经物镜成像在狭缝面1上，依次经过狭缝1、准直反射镜2、偏轴球面蓝宝石棱镜3、汇聚反射镜4，最终会聚成像到探测器光敏面5。系统满足物、像方远心。

所述的反射镜2为离轴使用的凹扁球形反射面；

所述的偏轴球面蓝宝石棱镜3的第一面301和第二面302的光学表面均为球面，其中第一面301为内反射面，第二面302为透射表面，经反射镜2反射的光线先经过第二面302，再经过第一面301内反射后，再由第二面302射向汇聚反射镜4；

所述的汇聚反射镜4为离轴使用的凹椭球形反射面；

如附图2所示，所述各光学面的光轴或法线存在相对偏转关系，其中：

偏轴球面蓝宝石3的第一面301光轴与准直反射镜2光轴偏置，两者之间的偏角为α，其取值范围为α∈[3.99564°，5.43426°]；

偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴与第一面301光轴偏置，两者之间的偏角为β，其取值范围为β∈[1.76325°，8.25127°]；

汇聚反射镜4光轴与偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴偏置，两者之间的偏角为γ，其取值范围为γ∈[1.57215°，3.96927°]；

探测器光敏面所在平面的法线相对于汇聚反射镜4光轴偏置，两者之间的偏角为δ，其取值范围为δ∈[2.19065°，2.62970°]。

本发明的优点是：

相比传统光谱仪，该棱镜光谱仪系统结构简单，体积小，重量轻，像质好，光学效率高。

附图说明

图1偏轴球面蓝宝石棱镜成像光谱仪光学结构。

图2各光学表面相对偏轴示意图。

图3实施案例1(色散宽度0.3mm)设计传递函数(2.5μm波段)。

图4实施案例1(色散宽度0.3mm)设计传递函数(3.4μm波段)。

图5实施案例1(色散宽度0.3mm)设计传递函数(4.2μm波段)。

图6实施案例1(色散宽度1.2mm)设计传递函数(5.0μm波段)。

图7实施案例2(色散宽度1.2mm)设计传递函数(2.5μm波段)。

图8实施案例2(色散宽度1.2mm)设计传递函数(3.4μm波段)。

图9实施案例2(色散宽度1.2mm)设计传递函数(4.2μm波段)。

图10实施案例2(色散宽度1.2mm)设计传递函数(5.0μm波段)。

图11实施案例3(色散宽度1.8mm)设计传递函数(2.5μm波段)。

图12实施案例3(色散宽度1.8mm)设计传递函数(3.4μm波段)。

图13实施案例3(色散宽度1.8mm)设计传递函数(4.2μm波段)。

图14实施案例3(色散宽度1.8mm)设计传递函数(5.0μm波段)。

具体实施方式

根据上述技术方案，设计了三个具有相同的相对孔径、工作波段和狭缝长度,但色散宽度不同的偏轴球面蓝宝石中波红外棱镜光谱仪。

实施例1：

F#＝2.5，工作波段为2.5μm-5μm，狭缝长度12mm，色散宽度0.3mm(采用30μm像元，可以实现10个波段的探测)。镜片参数如下表：

镜片参数表

其中准直反射镜2相对狭缝1偏离24mm；

偏轴球面蓝宝石3的第一面301光轴与准直反射镜2光轴之间偏角α＝3.99564°；

偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴与第一面301光轴之间偏角β＝1.76325°；

汇聚反射镜4光轴与偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴之间偏角γ＝1.57215°；

汇聚反射镜4光轴与偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴之间偏角为δ＝2.62970°。

参见附图3、图4、图5、图6是实例所述的光学系统的调制传递函数曲线，可以看出，系统MTF大于0.5，满足成像要求。

实施例2：

F#＝2.5，工作波段为2.5μm-5μm，狭缝长度12mm，色散宽度1.2mm(采用30μm像元，可以实现40个波段的探测)。镜片参数如下表：

镜片参数表

其中准直反射镜2相对狭缝1偏离24mm；

偏轴球面蓝宝石3的第一面301光轴与准直反射镜2光轴之间偏角α＝5.15882°；

偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴与第一面301光轴之间偏角β＝6.26184°；

汇聚反射镜4光轴与偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴之间偏角γ＝3.04601°；

汇聚反射镜4光轴与偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴之间偏角为δ＝2.44958°。

参见附图7、图8、图9、图10是实例所述的光学系统的调制传递函数曲线，可以看出，系统MTF大于0.5，满足成像要求。

实施例3：

F#＝2.5，工作波段为2.5μm-5μm，狭缝长度12mm，色散宽度1.8mm(采用30μm像元，可以实现60个波段的探测)。镜片参数如下表：

镜片参数表

其中准直反射镜2相对狭缝1偏离24mm；

偏轴球面蓝宝石3的第一面301光轴与准直反射镜2光轴之间偏角α＝5.43426°；

偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴与第一面301光轴之间偏角β＝8.25127°；

汇聚反射镜4光轴与偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴之间偏角γ＝3.96927°；

汇聚反射镜4光轴与偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴之间偏角为δ＝2.19065°。

参见附图11、图12、图13、图14是实例所述的光学系统的调制传递函数曲线，可以看出，系统MTF大于0.5，满足成像要求。

Claims (1)

1.一种偏轴球面蓝宝石棱镜中波红外成像光谱仪，光线经物镜成像在狭缝面(1)上，依次经过狭缝(1)、准直反射镜(2)、偏轴球面蓝宝石棱镜(3)、汇聚反射镜(4)，最终会聚成像到探测器光敏面(5)，其特征在于：

所述的准直反射镜(2)为离轴使用的凹扁球形反射面；

所述的汇聚反射镜(4)为离轴使用的凹椭球形反射面；

所述的偏轴球面蓝宝石棱镜(3)的第一面(301)和第二面(302)的光学表面均为球面，其中第一面(301)为内反射面，第二面(302)为透射表面；

光谱仪各部分之间位置关系为：

所述的偏轴球面蓝宝石(3)的第一面(301)光轴与准直反射镜(2)光轴偏置，两者之间的偏角为α，其取值范围为α∈[3.99564°，5.43426°]；

所述的偏轴球面蓝宝石(3)的第二面(302)光轴与第一面(301)光轴偏置，两者之间的偏角为β，其取值范围为β∈[1.76325°，8.25127°]；

所述的汇聚反射镜(4)光轴与偏轴球面蓝宝石(3)的第二面(302)光轴偏置，两者之间的偏角为γ，其取值范围为γ∈[1.57215°，3.96927°]；

所述的探测器光敏面所在平面的法线相对于汇聚反射镜(4)光轴偏置，两者之间的偏角为δ，其取值范围为δ∈[2.19065°，2.62970°]。