CN107064016B - 一种光栅色散成像光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种光栅色散成像光谱仪，探测目标在狭缝处会聚成像，从狭缝出射的发散光经熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜、第二熔石英弯月透镜后入射在凹面光栅上，凹面光栅对光束进行色散和反射，反射的各衍射波长光经第二熔石英弯月透镜、第一熔石英弯月透镜和熔石英半球透镜后会聚成像在像面上。本申请利用像差理论对Dyson系统原来的厚半球透镜进行拆分，使得其变为本发明中的熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜和第二熔石英弯月透镜，实现了系统消除残余球差和色差的功能。本申请提供的设计系统结构紧凑、性能优越、简便易行，可有效的用于工程应用当中。

Description

一种光栅色散成像光谱仪
技术领域
本发明涉及成像光谱技术领域，特别是涉及一种光栅色散成像光谱仪。
背景技术
光栅成像光谱仪器在各类大气遥感、地物遥感和海洋遥感等研究领域具有不可或缺的作用。通过星载、机载和船载等各类平台，成像光谱仪可以对所要遥感的目标进行实时监测和分析，从而同时获得其二维成像细节和第三维光谱信息，进而通过对这些数据信息的分析实现相关的监测和预报能力，其高精度和大数据量具有无法比拟的优越性。
成像光谱仪的基本组成包括狭缝、准直系统、色散系统、聚焦系统和探测器系统。通常得到较多使用的光栅成像光谱仪系统包括：Czerny-Turner系统，单光栅罗兰圆系统，Wadsworth系统，Ebert-Fastie系统，Dyson系统和Offner系统等。其中Dyson成像光谱仪和Offner成像光谱仪属于同心类系统，在消像差和完善成像能力上相比其他成像光谱仪形式更具优势。
Dyson光谱仪系统在很早以前就得到了设计，其结构相比Offner系统更为紧凑，光学元件更易制作，且可工作在更高的数值孔径下。但是由于其过于紧凑的系统结构，使得狭缝、探测器和光学元件的光机结构极难放置，极易发生干涉，因此在实际工程应用上远远不及Offner系统。而如果增大狭缝、探测器和光学元件间的轴向和垂向距离，则Dyson系统的成像质量会快速下降，无法满足应用需求。
鉴于此，提供一种新型的基于Dyson成像光谱仪结构的光栅色散成像光谱仪是非常有必要的。
发明内容
本发明的目的是提供一种光栅色散成像光谱仪，以解决现有Dyson光谱仪系统狭缝、探测器和光学元件间的轴向和垂向距离有限的条件下、成像质量不能兼得的问题。
为解决上述技术问题，本发明提供一种光栅色散成像光谱仪，包括：狭缝、熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜、第二熔石英弯月透镜、凹面光栅以及像面；所述熔石英半球透镜、所述第一熔石英弯月透镜、所述第二熔石英弯月透镜以及所述凹面光栅的曲率中心均位于系统的主轴上，所述狭缝偏离于所述主轴设置；
其中，探测目标在所述狭缝处会聚成像，从所述狭缝出射的发散光经所述熔石英半球透镜、所述第一熔石英弯月透镜、所述第二熔石英弯月透镜入射至所述凹面光栅上，经所述凹面光栅色散后的反射色散光束经所述第二熔石英弯月透镜、所述第一熔石英弯月透镜、所述熔石英半球透镜聚焦在所述像面上，在所述像面上成像以进行探测。
可选地，入射在所述像面上的中心主光线与所述主轴的夹角δ为0。
可选地，所述熔石英半球透镜的曲率半径与所述凹面光栅的曲率半径之间的关系满足：
其中，d为所述狭缝距所述主轴的垂轴距离，R1为所述熔石英半球透镜的曲率半径，Rg为所述凹面光栅的曲率半径，g为所述凹面光栅的刻线密度，n为熔石英的折射率，λ为波长。
可选地，所述狭缝的长度为13mm，宽度为0.039mm。
可选地，所述熔石英半球透镜的曲率半径为59.4mm，所述曲面光栅的曲率半径为200mm，光栅刻线密度为83l/mm，所述狭缝距所述主轴的垂直距离为10mm。
可选地，光栅色散成像光谱仪的工作波段为320nm-1000nm，数值孔径为0.25。
可选地，所述像面上设置有平面探测器，用于对所述像面上的成像信息进行探测。
本发明所提供的光栅色散成像光谱仪，基于同心光谱仪原理，通过对熔石英半球透镜的改进和两片熔石英弯月透镜的加入，使该成像光谱仪系统在轴向和垂向具备足够间距的情况下，仍可在宽波段和大数值孔径的条件下保持优越的成像能力。探测目标在狭缝处会聚成像，从狭缝出射的发散光经熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜、第二熔石英弯月透镜后入射在凹面光栅上，凹面光栅对光束进行色散和反射，反射的各衍射波长光经第二熔石英弯月透镜、第一熔石英弯月透镜和熔石英半球透镜后会聚成像在像面上。本申请利用像差理论对Dyson系统原来的厚半球透镜进行拆分，使得其变为本发明中的熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜和第二熔石英弯月透镜，实现了系统消除残余球差和色差的功能。本申请提供的设计系统结构紧凑、性能优越、简便易行，可有效的用于工程应用当中。
附图说明
为了更清楚的说明本发明实施例或现有技术的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明所提供的光栅色散成像光谱仪的一种具体实施方式的光路示意图；
图2为本发明所提供的成像光谱仪进行Dyson结构下像散分析时的光程示意图；
图3为成像光谱仪在宽波段上实现消像散条件的分析示意图；
图4为本发明所提供的光栅色散成像光谱仪系统全视场的成像RMS点列图与全波段之间的关系示意图。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步的详细说明。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明所提供的光栅色散成像光谱仪的一种具体实施方式的光路示意图如图1所示，该系统包括：狭缝1、熔石英半球透镜2、第一熔石英弯月透镜3、第二熔石英弯月透镜4、凹面光栅5以及像面6；所述熔石英半球透镜2、所述第一熔石英弯月透镜3、所述第二熔石英弯月透镜4以及所述凹面光栅5的曲率中心均位于系统的主轴上，所述狭缝1偏离于所述主轴设置；
其中，探测目标在所述狭缝1处会聚成像，从所述狭缝1出射的发散光经所述熔石英半球透镜2、所述第一熔石英弯月透镜3、所述第二熔石英弯月透镜4入射至所述凹面光栅5上，经所述凹面光栅5色散后的反射色散光束经所述第二熔石英弯月透镜4、所述第一熔石英弯月透镜3、所述熔石英半球透镜2聚焦在所述像面6上，在所述像面6上成像以进行探测。
本发明所提供的光栅色散成像光谱仪，基于同心光谱仪原理，通过对熔石英半球透镜的改进和两片熔石英弯月透镜的加入，使该成像光谱仪系统在轴向和垂向具备足够间距的情况下，仍可在宽波段和大数值孔径的条件下保持优越的成像能力。探测目标在狭缝处会聚成像，从狭缝出射的发散光经熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜、第二熔石英弯月透镜后入射在凹面光栅上，凹面光栅对光束进行色散和反射，反射的各衍射波长光经第二熔石英弯月透镜、第一熔石英弯月透镜和熔石英半球透镜后会聚成像在像面上。本申请利用像差理论对Dyson系统原来的厚半球透镜进行拆分，使得其变为本发明中的熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜和第二熔石英弯月透镜，实现了系统消除残余球差和色差的功能。本申请提供的设计系统结构紧凑、性能优越、简便易行，可有效的用于工程应用当中。
参照图2，本发明所提供的成像光谱仪进行Dyson结构下像散分析时的光程示意图，以及图3成像光谱仪在宽波段上实现消像散条件的分析示意图，下面通过对光路的几何光程分析和像差理论的研究对系统中各主要参数的设置进行进一步详细阐述。
具体地，本申请的设计基于Dyson系统，狭缝1的位置为熔石英半球透镜2和凹面光栅5的共心垂直于主轴偏置一定距离d，为了使系统的各元件之间的间距足够大，可根据探测器的大小选择该垂直距离d的大小，这样探测器像面和狭缝在垂向上可以分开足够的距离。
对凹面光栅5，其入射角和衍射角分别为i和θ。对于经熔石英半球透镜2出射的色散衍射光，其后表面的入射角和衍射角分别为α和β。入射在像面上的光线与主轴(即水平方向)的夹角为δ，与衍射角β相等。使最终在像面6上的子午像点和弧矢像点重合，即消除像散的条件是δ为0，即衍射角β为0。
根据图2，代表像散差的距离△r其表达式为：Δr＝R1sinαtanδ。Dyson系统的消像散成像条件是：子午像点Im和弧矢像点Is会聚于同一点，即△r为0。当角δ为0时，这一条件可以很容易被满足，此时入射在像面的中心主光线和从狭缝出射的中心主光线彼此平行。
本发明实施例根据几何光程理论着重计算了在狭缝、熔石英半球透镜和像面之间具有较大轴向和垂向间距的条件下，是成像光谱仪系统可以在宽波段上消除像散的重要条件。
进一步地，熔石英半球透镜2的曲率半径为R1，凹面光栅5的曲率半径为Rg；这两个距离是本发明的主要设计参数，决定了设计成像光谱仪系统的光学性能。从凹面光栅5出射的衍射光在熔石英半球透镜2前表面上的入射角为γ'，从熔石英半球透镜2后表面出射时的出射角为γ，从狭缝1出射的光在熔石英半球透镜2的前表面入射角为η，出射角为η’。通过几何分析，可以获得在消除系统像散时R1和Rg的关系。该关系即为本发明实施例所提供系统的最优像散消除条件。
根据图3，狭缝1离开主轴共心的垂直距离d和像面6对应像点离开主轴共心的垂直距离d'满足如下条件：
(-d/cosε)/Rg+(d'/cosε)/Rg＝gλ。
当系统像散被消除时，角ε满足几何关系ε＝γ'-γ+i。而图3中所有的角度关系满足如下几何关系：
η-η'-i+θ+γ-γ'＝0。
同时根据Snell定理，各入射角和衍射角满足和由三角关系式可知将以上各式合并可获得熔石英半球透镜2的曲率半径R1和凹面光栅5的曲率半径Rg之间的关系为
其中，d为所述狭缝距系统主轴的垂轴距离，R1为所述熔石英半球透镜的曲率半径，Rg为所述凹面光栅的曲率半径，g为所述凹面光栅的刻线密度，n为熔石英的折射率，λ为波长。
根据像差理论，依据光焦度原理，对熔石英半球透镜2进行重新拆分，获得新的熔石英半球透镜2和第一熔石英弯月透镜3与第二熔石英弯月透镜4，从而对大间距所引入的残余球差和色差进行消除，获得系统的最终优化成像结果。
本发明的特点是：光学系统组成元件简单，体积小；狭缝和像面与光学元件间在轴向和垂向上均具备足够的间距；通过熔石英半球透镜2和凹面光栅5曲率半径间的关系即可消除像散，同时通过对熔石英半球透镜2的改进和第一熔石英弯月透镜3与第二熔石英弯月透镜4的引入则可对其它像差进行消除，这使得本发明设计具备较好的成像能力和工程应用性。
作为一种具体实施方式，本发明实施例可以具体设置成像光谱仪的工作波段为320nm～1000nm，数值孔径为0.25。狭缝1的长度为13mm，宽度为0.039mm，熔石英半球透镜2的曲率半径为59.4mm，凹面光栅5的曲率半径为200mm，狭缝1距主轴共心垂直距离为10mm，光栅刻线密度为83l/mm。
本系统通过对熔石英半球透镜的改进和两片熔石英弯月透镜的加入来获得在高数值孔径和宽波段条件下实现良好成像的能力，并允许在像面处使用平面探测器。
图4给出了本发明所提供的光栅色散成像光谱仪系统全视场的成像RMS点列图与全波段之间的关系示意图，该曲线全面的反映了系统的设计评价结果。图中设置了边缘和中心共5个视场对应狭缝1的边缘和中心点，可以看到，设计系统的各视场成像RMS点列图半径均小于5.5μm，各成像点将可以完全被13μm×13μm的探测器像元所包覆，具备良好的成像质量。
综上，本发明所提供的光栅色散成像光谱仪，基于同心光谱仪原理，通过对熔石英半球透镜的改进和两片熔石英弯月透镜的加入，使该成像光谱仪系统在轴向和垂向具备足够间距的情况下，仍可在宽波段和大数值孔径的条件下保持优越的成像能力。探测目标在狭缝处会聚成像，从狭缝出射的发散光经熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜、第二熔石英弯月透镜后入射在凹面光栅上，凹面光栅对光束进行色散和反射，反射的各衍射波长光经第二熔石英弯月透镜、第一熔石英弯月透镜和熔石英半球透镜后会聚成像在像面上。本申请利用像差理论对Dyson系统原来的厚半球透镜进行拆分，使得其变为本发明中的熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜和第二熔石英弯月透镜，实现了系统消除残余球差和色差的功能。本申请提供的设计系统结构紧凑、性能优越、简便易行，可有效的用于工程应用当中。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其它实施例的不同之处，各个实施例之间相同或相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。
专业人员还可以进一步意识到，结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
结合本文中所公开的实施例描述的方法或算法的步骤可以直接用硬件、处理器执行的软件模块，或者二者的结合来实施。软件模块可以置于随机存储器(RAM)、内存、只读存储器(ROM)、电可编程ROM、电可擦除可编程ROM、寄存器、硬盘、可移动磁盘、CD-ROM、或技术领域内所公知的任意其它形式的存储介质中。
以上对本发明所提供的光栅色散成像光谱仪进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (6)

1.一种光栅色散成像光谱仪，其特征在于，包括：狭缝、熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜、第二熔石英弯月透镜、凹面光栅以及像面；所述熔石英半球透镜、所述第一熔石英弯月透镜、所述第二熔石英弯月透镜以及所述凹面光栅的曲率中心均位于系统的主轴上，所述狭缝偏离于所述主轴设置；
其中，探测目标在所述狭缝处会聚成像，从所述狭缝出射的发散光经所述熔石英半球透镜、所述第一熔石英弯月透镜、所述第二熔石英弯月透镜入射至所述凹面光栅上，经所述凹面光栅色散后的反射色散光束经所述第二熔石英弯月透镜、所述第一熔石英弯月透镜、所述熔石英半球透镜聚焦在所述像面上，在所述像面上成像以进行探测；
所述熔石英半球透镜的曲率半径与所述凹面光栅的曲率半径之间的关系满足：
其中，d为所述狭缝距所述主轴的垂轴距离，R1为所述熔石英半球透镜的曲率半径，Rg为所述凹面光栅的曲率半径，g为所述凹面光栅的刻线密度，n为熔石英的折射率，λ为波长。
2.如权利要求1所述的光栅色散成像光谱仪，其特征在于，入射在所述像面上的中心主光线与所述主轴的夹角δ为0。
3.如权利要求2所述的光栅色散成像光谱仪，其特征在于，所述狭缝的长度为13mm，宽度为0.039mm。
4.如权利要求2所述的光栅色散成像光谱仪，其特征在于，所述熔石英半球透镜的曲率半径为59.4mm，所述凹面光栅的曲率半径为200mm，光栅刻线密度为83l/mm，所述狭缝距所述主轴的垂直距离为10mm。
5.如权利要求1至4任一项所述的光栅色散成像光谱仪，其特征在于，光栅色散成像光谱仪的工作波段为320nm-1000nm，数值孔径为0.25。
6.如权利要求5所述的光栅色散成像光谱仪，其特征在于，所述像面上设置有平面探测器，用于对所述像面上的成像信息进行探测。
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