CN110470394A - 一种超紧凑光谱仪光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超紧凑光谱仪光学系统。光学系统由视场光栏、光栅、复合透镜、第一反射镜、第二反射镜和滤光片组成。光学系统为折反射式，光栅为平面反射光栅，复合透镜被光线四次经过，有三个表面：面向光栅的表面为凸面、面向第一反射镜的表面为平面、面向第二反射镜的表面为凸面，第一反射镜和第二反射镜均为凹面反射镜。系统基于平面反射式光栅，采用复合透镜，光线多次经复合透镜透射，有利于压缩光谱仪体积。本发明的优点是：能实现低F数、紧凑结构以及低光谱畸变设计，具有较高的光学效率，且成本较低，特别适用于红外制冷成像光谱仪中。
Description
技术领域
本发明涉及光学系统和光学设计，特别是指一种超紧凑的光谱仪光学系统及其设计。
背景技术
色散型成像光谱仪器早在二十世纪70年代已经出现，能获取探测目标的二维几何信息和光谱信息，广泛应用于航天航空遥感和科学研究，进行矿物识别、农林监测、军事侦察、海色及大气探测等。其光学系统通常由望远物镜和光谱仪组成，其中主要决定光谱探测性能的是光谱仪，而光谱仪中的核心器件是分光元件。目前主流的色散分光元件是棱镜和光栅。根据色散元件分类，可将光谱仪光学系统分为基于平面光栅的CT型和RT型结构、基于曲面光栅的offner型和dyson型结构、基于曲面棱镜的Féry型结构和基于棱栅组合的PG型结构等。
现有技术存在的主要问题是：
(1)CT型光谱仪，适用于数值孔径较小和狭缝长度较短的应用场合，随数值孔径和狭缝长度增加，系统像差急剧增大。
(2)RT型光谱仪，分光元件为平面光栅，系统体积较小，光学反射次数较多，像质和畸变容易控制，像方空间较小，较适用于F数为1.8以上的场合。
(3)offner型和dyson型光谱仪，分光元件为凸面和凹面光栅，系统体积较小，像质和畸变容易控制，尤其是dyson型结构，能实现大数值孔径和较紧凑体积设计。但同等参数下，曲面光栅制作技术要求和成本较平面光栅高。
(4)曲面棱镜Féry型和棱栅组合型光谱仪，系统成本相对较低，小数值孔径下，系统像质和畸变较易控制，但较难实现高色散和紧凑结构设计。
发明内容
本发明的目的是弥补现有技术的不足，提供一种超紧凑光谱仪光学系统设计。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是：
图1是本发明的光谱仪光路示意图，光谱仪光学系统由视场光栏1、光栅2、复合透镜3、第一反射镜4、第二反射镜5和滤光片6组成。由物方向像方光线依次经过视场光栏1、复合透镜3、第一反射镜4、复合透镜3、光栅2、复合透镜3、第二反射镜5、复合透镜3、滤光片6，最终到达像面。
本发明通过较厚的复合透镜3和复杂面型的两片反射镜实现基于平面光栅的大数值孔径、高色散光谱仪光学系统的超紧凑低畸变设计。
本发明中的光栅2是平面反射光栅，根据使用的谱段进行相应的闪耀光栅设计。相同指标参数下，平面闪耀光栅比曲面闪耀光栅的制作难度低，且制作成本低。由于系统结构紧凑，光栅的刻线数比同类系统的要密，也降低了制作难度。
本发明中的复合透镜3为含有3个光学面的复合型透镜，光线四次经过复合透镜3。三个表面分别是：面向光栅2的表面，面型为凸球面、凸二次曲面或凸偶次非球面；面向第一反射镜4的表面，面型为平面；面向第二反射镜5的表面，面型为凸球面。根据光学系统的物方和像方的数值孔径、视场光栏(1)的长度以及色散能力要求，复合透镜(3)的各表面可扩展为更复杂的面型。通常，复合透镜3的设计中，面向第一反射镜4的表面为平面，其余面为旋转对称面型，这种情况下复合透镜3的光学加工具有较高的工程可行性。应用于中波红外和长波红外波段，复合透镜3的材料可选硒化锌；应用于短波红外波段，复合透镜3的材料可选硒化锌、石英或氟系玻璃；应用于可见近红外波段，复合透镜3的材料可选氟系玻璃或石英。
本发明中的第一反射镜4和第二反射镜5为自由曲面，通常面型可设计为易于金刚石单点车削加工的扩展多项式。反射镜材料根据热匹配设计要求，选择易于车削的光学材料或者铝材。
由于上述技术方案的使用，本发明的超紧凑光谱仪光学系统的优点是：色散分光元件为平面光栅，相同指标参数下，平面闪耀光栅比曲面闪耀光栅的制作难度低，且制作成本低；光线四次经过了复合透镜3，使光学结构特别紧凑，光学系统体积小，但相对于通常的棱栅组合型系统，本发明的光学元件数更少，光学效率较高；超紧凑结构的像差对数值孔径不敏感，可以做到低F数即大数值孔径、低畸变和高色散设计。
附图说明
图1为本发明的光谱仪光路示意图。
图中：1为视场光栏；
2为光栅；
3为复合透镜；
3.1为复合透镜第一表面，
3.2为复合透镜第二表面，
3.3为复合透镜第三表面，
4为第一反射镜；
5为第二反射镜；
6为滤光片。
具体实施方式
下面根据图1，给本发明一个较好实施例并作详细阐述：
参照美国MAKO长波红外成像光谱仪，设计了一个超紧凑长波红外光谱仪光学系统，所用探测器面阵规模为128元×128元，像元尺寸为75μm×75μm，其设计指标要求列于表1中。
表1
| 光谱范围 | 物方数值孔径 | 像方数值孔径 | 狭缝长度 | 色散宽度 |
| 7.8-13.4μm | 0.4 | 0.4 | 9.6 | 9.6 |
设计数据列于表2中。
表2
设计结果为：光谱仪归一化0视场、0.707视场和1视场，代表波长7.8μm、10.6μm和13.4μm的点列图rms小于或相当于爱里斑半径，远小于75μm像元尺寸。在奈奎斯特截止频率6.7lp/mm处，光谱仪归一化0视场、0.707视场和1视场，代表波长7.8μm、10.6μm和13.4μm的MTF接近衍射受限值，均优于0.8；在频率16.7lp/mm处，以上MTF均值优于0.6。光谱仪smile畸变低于6μm，keystone畸变低于5μm。光谱采样43.75nm/像元。
设计结果与美国MAKO长波红外成像光谱仪比较，两者设计结果相当。美国MAKO长波红外成像光谱仪是改进的dyson型结构，在透镜和曲面光栅之间加入了一块非球面透镜，光轴方向长度超过165mm。本发明的案例借助两块扩展多项式曲面反射镜和一块复合透镜，用平面光栅取代了凸面光栅。系统中复合透镜的尺寸较小，光谱仪光学结构更为紧凑，光轴方向长度小于75mm；同时光栅为平面光栅且刻线较密，制作成本较低。
Claims (3)
1.一种超紧凑光谱仪光学系统，由视场光栏(1)、光栅(2)、复合透镜(3)、第一反射镜(4)、第二反射镜(5)和滤光片(6)组成，其特征在于：
所述的光学系统为折反射式，来自物方的光线从视场光栏(1)出发，经过复合透镜(3)至第一反射镜(4)，经其反射后再经复合透镜(3)至光栅(2)，经其衍射后再经复合透镜(3)至第二反射镜(5)，经其反射后再经复合透镜(3)出射至滤光片(6)，到达像面。其中，光栅(2)为平面反射光栅，第一反射镜(4)和第二反射镜(5)均为凹面反射镜。
2.根据权利要求1所述的一种超紧凑光谱仪光学系统，其特征在于：所述的复合透镜(3)被光线四次经过，有三个表面：面向光栅(2)的表面为凸面，面型为球面、二次曲面或偶次非球面；面向第一反射镜(4)的表面为平面；面向第二反射镜(5)的表面为凸球面；在中波红外和长波红外波段，复合透镜(3)的材料可选硒化锌；在短波红外波段，复合透镜(3)的材料可选硒化锌、石英或氟系玻璃；在可见近红外波段，复合透镜(3)的材料可选氟系玻璃或石英。
3.根据权利要求1和2所述的一种超紧凑光谱仪光学系统，其特征在于：所述的复合透镜(3)的各表面为扩展多项式和柱面复杂曲面面型；复合透镜(3)为分裂成两片或两片以上的透镜组合。
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