CN104729711B - 一种次镜改进型成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种次镜改进型成像光谱仪，包括入射狭缝、第一牛角镜、第一主反射镜、第二牛角镜、第三牛角镜、第二主反射镜和像面；经过入射狭缝的光束通过第一牛角镜进行色散，再经第一主反射镜反射，后经第一牛角镜透射，又一次色散，进入第二牛角镜，经过第二牛角镜后表面反射再折射，进入第三牛角镜进行色散，经由第二主反射镜进行反射，再经过第三牛角镜进行色散成像到高光谱成像仪的像面位置处。本发明有效的增加了色散宽度，提高了光谱分辨率，减小了系统体积，解决了大视场与小型化、高光谱分辨率的关键技术问题，同时能有效减小系统的谱线弯曲和谱带弯曲，给后续数据处理提供方便。

Description

一种次镜改进型成像光谱仪

技术领域

本发明涉及成像光谱仪的技术领域，具体涉及一种次镜改进型成像光谱仪。

背景技术

成像光谱仪主要包括色散型光谱仪和干涉型光谱仪。其中色散型包括棱镜色散型和光栅色散型。干涉型包括空间调制型及时空联合调制型。干涉型受制于稳定性要求，精度要求和体积要求，未得到广泛应用。色散型光谱仪目前应用较为常见，其中光栅色散型方案，存在较多缺点，在一定谱段范围内存在二级谱线重叠，衍射效率低，能量利用率低，制作成本高等。因此上述方案都不容易满足大视场，小型化的成像光谱仪要求。棱镜色散型主要利用不同波长的光经过同一色散棱镜后偏折角不同，使得不同波长色散开不同的角度。常用色散棱镜为平面或复合棱镜，会引起较大的谱线弯曲和谱带弯曲，且随着视场的增大，弯曲很严重，，给后期数据处理带来较大影响。

本发明采取的次镜改进型棱镜色散方案，共设计三个牛角镜，在两臂上分别放入单个牛角镜，次镜位置放入一个牛角镜，次镜位置的牛角镜同时起到色散和反射的作用。相同设计指标，这种系统能够获得更大的视场和较高的光谱分辨率，且易实现体积小型化。在系统设计的过程中，通过软件对系统进行了模拟，对最后设计结果进行分析计算，此系统具有较小的谱线弯曲和谱带弯曲，较高的光谱分辨率，较小的体积。

发明内容

本发明的目的在于提出一种次镜改进型成像光谱仪的设计方法。该成像光谱仪由入射狭缝，三个牛角镜，两个反射镜和像面组成。在实现系统小型化的同时，实现了大视场宽谱段，高光谱分辨率，装调简易化，后续数据处理简便化，相同设计指标，该结构有更好的成像质量。

本发明采用的技术方案为：一种次镜改进型成像光谱仪，该成像光谱仪包括入射狭缝、第一牛角镜、第一主反射镜、第二牛角镜、第三牛角镜、第二主反射镜和像面；其中，经过入射狭缝的光束通过第一牛角镜进行色散，再经第一主反射镜反射，后经第一牛角镜透射，又一次色散，进入第二牛角镜，经过第二牛角镜后表面反射再折射，进入第三牛角镜进行色散，经由第二主反射镜进行反射，再经过第三牛角镜进行色散成像到高光谱成像仪的像面位置处。

其中，成像光谱仪的入射狭缝长度为50mm，色散宽度为5mm，光谱范围为0.95μm～2.5μm，物方数值孔径角NA为0.12，为了与前置成像系统匹配，该成像光谱仪设计为物方远心光路。

与现有技术方案相比，本发明的优点是：

(1)、本发明采用三个棱镜，且每个棱镜都实现两次色散的功能，有效提高了色散宽度，提高光谱分辨率，且满足系统小型化的需求。

(2)、本发明三个牛角镜采用相同的色散材料，且总体呈对称结构，有校的校正轴外大视场的像差。

(3)、本发明采用的色散棱镜两面均为曲面，有效的校正谱线弯曲和谱带弯曲，后期数据处理简单化。

(4)、本发明两个反射镜的共轴，有利于装调。

(5)、相同指标要求，与传统系统相比，本发明长度大幅减小，且成像质量有了进一步的提高。

附图说明

图1为本发明一种次镜改进型成像光谱仪的色散光路结构图；

其中，1为入射狭缝，2为第一牛角镜，3为第一主反射镜，4为第二牛角镜，5为第三牛角镜，6为第二主反射镜，7为成像光谱仪的像面；

图2为本发明实施例所提供的光学系统的传递函数曲线图，其中，图2(a)、(b)、(c)分别为此光学系统分别在950nm、1800nm、2500nm几种典型谱段的光学传递函数曲线图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施例进一步说明本发明。

本发明采用的技术方案如图1所示，图1为本发明一种次镜改进型成像光谱仪的实施例所提供的光学系统结构示意图，是一套完整的光谱仪系统。此系统共包括三个牛角镜，分别放置在两臂和次镜上，其中次镜位置放置的牛角镜需镀内反射膜，同时起到色散和反射的作用。具体的，光束由入射狭缝1进入系统，通过第一牛角镜2进行色散，再经第一主反射镜3反射，后经第一牛角镜2透射，又一次色散，进入第二牛角镜4，经过第二牛角镜4后表面反射再折射，进入第三牛角镜5进行色散，经由第二主反射镜6进行反射，再经过第三牛角镜5进行色散成像到成像光谱仪的像面7位置处。成像光谱仪的狭缝长度为50mm，色散宽度为5mm，光谱范围为0.95μm～2.5μm，物方数值孔径角NA为0.12，为了与前置成像系统匹配，光谱仪系统设计为物方远心光路。

图2是本发明实施例所提供光学系统的典型波长在全视场的传递函数，从图中可以看出，各个波长在耐奎斯特频率以内的成像质量较接近衍射极限。通过光学软件ZEMAX仿真得出图2曲线，图2(a)、(b)、(c)分别为此光学系统分别在950nm、1800nm、2500nm几种典型谱段的光学传递函数曲线图。注：图中纵坐标Modulus of the OTF为MTF调制传递函数值，横坐标Spatial Frequency in cycles per mm为空间频率，单位为线对数/毫米，此系统截止频率为了21lp/mm.。从图中可看出所有谱段的MTF调制传递函数值均接近衍射极限，都大于0.6以上。

所提到的实施方式仅作为本发明技术方案的示例性说明，而不应解释为对本发明的限制，任何对本发明进行显而易见的局部更改都应视为本发明的替代方案。这种替代方案包括色散棱镜放置臂上的不同位置，改变光学面的半径，孔径偏心或者棱镜的倾斜角、元件间的空气间隔和棱镜的厚度以及所使用的光学材料等。这些更改和变化不脱离本发明的实质范围。

Claims (1)

1.一种次镜改进型成像光谱仪，其特征在于：该成像光谱仪包括入射狭缝(1)、第一牛角镜(2)、第一主反射镜(3)、第二牛角镜(4)、第三牛角镜(5)、第二主反射镜(6)和像面(7)；其中，在两臂上分别放入单个牛角镜，次镜位置放入一个牛角镜；

经过入射狭缝(1)的光束通过第一牛角镜(2)进行色散，再经第一主反射镜(3)反射，后经第一牛角镜(2)透射，又一次色散，进入第二牛角镜(4)，经过第二牛角镜(4)后表面反射再折射，进入第三牛角镜(5)进行色散，经由第二主反射镜(6)进行反射，再经过第三牛角镜(5)进行色散成像到高光谱成像仪的像面(7)位置处；

成像光谱仪的入射狭缝(1)长度为50mm，色散宽度为5mm，光谱范围为0.95μm～2.5μm，物方数值孔径角NA为0.12，为了与前置成像系统匹配，该成像光谱仪设计为物方远心光路；

该次镜改进型成像光谱仪采用三个棱镜，且每个棱镜都实现两次色散的功能，有效提高了色散宽度，提高光谱分辨率，且满足系统小型化的需求；

该次镜改进型成像光谱仪三个牛角镜采用相同的色散材料，且总体呈对称结构，有效地校正轴外大视场的像差；

该次镜改进型成像光谱仪采用的色散棱镜两面均为曲面，有效地校正谱线弯曲和谱带弯曲，后期数据处理简单化；

该次镜改进型成像光谱仪两个反射镜的共轴，有利于装调；

该次镜改进型成像光谱仪长度大幅减小，且成像质量有了进一步的提高。