CN115165099A - 一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，属于光谱仪设计领域。本发明提出一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，采用棱镜对与闪耀透射光栅组成PPG结构分光模块，利用棱镜与闪耀透射光栅组合的二次色散特性，实现在补偿光谱成像系统色散非线性的同时增大了系统光谱探测范围。光谱仪系统采用直视型共光轴光路设计，使望远系统、光谱成像系统中心处于同一光轴，保证了中心波长光线垂直入射望远系统和垂直出射聚焦成像透镜直至光电探测器。采用上述共光轴光路设计，既改善了光谱非线性又降低了调试难度。
Description
技术领域
本发明属于光谱仪设计领域，具体涉及一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法。
背景技术
光学光谱仪在各个领域有着不同的应用，色散型光谱仪由于结构简单，应用范围广，是国内外长期关注和研究的热点。色散型光谱仪一般由光阑、准直透镜、色散元件、聚焦透镜和探测器组成，其中色散元件是光谱仪的核心部件，应用最广泛的是光栅和棱镜光谱仪。光栅光谱仪利用光栅衍射分光，具有读取速度快、波长范围广的优点。棱镜色散光谱仪是基于斯涅尔定律，利用同一介质中不同单色光的光程差不同将光谱展开。与光栅光谱仪相比，棱镜光谱仪具有价格低、光谱无重叠、稳定性好等优点。
由于色散元件的使用，光谱仪系统产生的光谱均有谱线弯曲现象的存在，谱线弯曲引起的光谱偏离使得不同像元位置上的中心波长彼此产生偏差，每个像元的测量值会引入相邻光谱切片的信息，改变了原有的图谱信息，增加了光谱标定和校正的难度，极大的影响了光谱成像质量。且目前光谱仪大多采用复杂的折反式结构，装配调试过程会引入较大误差。因此，色散型光谱仪需要解决色散非线性以及装配调试困难的问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，以解决色散非线性以及装配调试困难的问题。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，该方法包括如下步骤：
S1、构建光谱仪：所述光谱仪包括依次设置的望远系统、光谱成像系统，望远系统将视场内的光会聚、准直，送入光谱成像系统进行光谱信息的分离以及探测；所述望远系统包括前置望远物镜、光阑和准直物镜，各个组成部件顺次摆放，所述光谱成像系统包括分光模块、聚焦成像透镜、滤光片以及光电探测器，各个组成部件顺次摆放，所述分光模块包括棱镜1、棱镜2、闪耀透射光栅以及反射镜1、反射镜2，各个组成部件顺次摆放；
S2、光学材料选择：依据光学材料选择准则，在光谱仪工作光谱范围内选择符合要求的玻璃材料；
S3、色散(PPG)结构优化：确定光栅衍射级数k、光栅常数d的值，在光谱仪中心波长光线偏转角为0、色散角Δ不小于设计值Δ0的条件约束下，利用遍历循环算法优化得到选定光学材料下满足实际光谱仪色散角Δ以及中心波长光线偏转角δ(λ0)设计指标的结构参数值，包括棱镜1第2折射面与竖直方向夹角β和光栅与竖直方向夹角γ；
S4、直视型共光轴设计：在色散结构优化的过程中，利用反射镜对光路进行直视型共光轴设计，得到满足符合直视型共光轴要求的反射镜空间位置值，包括反射镜1法线和反射镜2法线与竖直方向的夹角(φ1,φ2)，反射镜1中心位置高度h，反射镜1中心与光栅中心的水平距离l1，反射镜2中心与反射镜1中心的水平距离l2；
S5、光谱线性度验证：使用光谱线性度指标来评价光谱展开的均匀程度，经过优化设计后的色散结构如果不满足光谱线性度指标要求，返回步骤S2重新开始计算。
进一步地，所述望远系统包括前置望远物镜、光阑和准直物镜，各个组成部件顺次摆放，其作用是将低辐射光强条件下望远物镜视场内的光会聚、准直，送入光谱成像系统，其中，望远物镜摄取视场内的光线；光阑消除杂散光；准直物镜将光线变成同心光束。
进一步地，所述分光模块包括棱镜1、棱镜2、闪耀透射光栅以及反射镜1、反射镜2，各个组成部件顺次摆放，用于实现光谱的线性分离；其中棱镜1、棱镜2和闪耀透射光栅组成棱镜-棱镜-光栅PPG结构，用于补偿系统色散非线性以及增大系统光谱探测范围；反射镜1和反射镜2用于实现系统直视型共光轴设计；所述聚焦成像透镜用于平衡和校正各种像差到某一限度内，使得经过分光模块分解后的光谱中同一波长的光会聚到探测器的同一像元；所述滤光片用于滤除光栅衍射级数k级以外的衍射能量；所述光电探测器用于对分解后的光谱进行光电流转换。
进一步地，所述步骤S2所述玻璃材料的要求包括棱镜1材料n1、棱镜2材料n2以及闪耀透射光栅基底材料n3，令n2＝n3。
进一步地，所述步骤S2所述光学材料选择准则具体包括：为保证分光模块各色散元件棱镜1、棱镜2以及闪耀透射光栅处于共轴状态，以及利用棱镜和光栅实现光谱非线性补偿，按照光学材料选择准则需使得中心波长λ0实现无偏折成像，并且棱镜和光栅单独作为色散元件时谱线弯曲相反、色散方向一致。
进一步地，所述步骤S3所述偏转角具体包括：棱镜1底角为直角90°，棱镜2顶角α＝β+γ，棱镜1顶角等于棱镜1第2折射面与竖直方向夹角β，光栅与竖直方向的夹角等于γ，光栅常数为d；光线垂直入射棱镜1，入射角为0°，棱镜1、2和闪耀透射光栅顺次贴合，光线进入棱镜1在棱镜1、2界面处的入射角为i1,出射角为i′1；在棱镜2与闪耀透射光栅界面处入射角为i2,出射角为i′2；在光栅与空气界面处入射角为i3，出射角为i′3，出射光线与光轴夹角为i4；光线通过光栅出射经过反射镜1后的反射光线与反射镜2的夹角为i5；经过反射镜2后的反射光线与反射镜2镜面法线夹角为i6，与光轴夹角为δ；偏转角是指分光模块出射光线与入射光线的夹角即δ；所述步骤S3所述色散角具体包括：令通过分光模块的光线中短波偏转角δ(λ1)与长波偏转角δ(λ2)之差为色散角Δ。
进一步地，所述步骤S3所述色散(PPG)结构优化具体包括：在光学结构参数(β,γ,k,d)确定的情况下，解算出光谱仪设计指标色散角Δ、中心波长偏转角δ(γ0)；为保证棱镜和光栅满足实现光谱非线性补偿的基本要求，需确定光栅衍射级数k、光栅常数d的值，此时系统的自由变量简化为棱镜1第2折射面与竖直方向夹角β，光栅与竖直方向的夹角γ，利用遍历循环算法优化得到选定光学材料下满足实际光谱仪设计指标Δ以及δ(γ0)的β和γ值。
进一步地，所述步骤S4所述系统直视型共光轴设计具体包括：系统直视型共光轴设计是指望远系统、光谱成像系统中心处于同一光轴，中心波长λ0光线入射与出射系统时的夹角为0，因此需对反射镜1、2的空间位置进行条件约束，即确定(φ1,φ2,h,l1,l2)的值；
所述约束条件包括：
反射镜1中心位置高度h、反射镜1中心与光栅中心的水平距离l1和中心波长光线出射光栅与光轴形成的夹角i4(λ0)构成的正切定理；
反射镜1中心位置高度h、反射镜2中心与反射镜1中心的水平距离l2和中心波长光线出射反射镜1与反射镜2形成的夹角i5(λ0)构成的正切定理；
反射镜1法线和反射镜2法线与竖直方向的夹角φ1、φ2之间存在的几何关系。
进一步地，所述步骤S5中的所述光谱线性度指标要求具体包括：光谱线性度指标L1、L2满足|L1-L1(0)|≤ε1、|L2-L2(0)|≤ε2，所述ε1、ε2为大于0的常数，用于限制光谱仪优化过程中光谱的线性程度。
进一步地，所述光谱线性度指标L1和L2获取方式包括：偏转角δ对波长λ求得的导数为角色散率
当角色散率
为常数时，偏向角δ不随波长λ的变化而变化，表明通过分光模块色散的光谱均匀线性，因此取短波角色散率与长波角色散率之比来评价分光模块的光谱线性度，定义L1为分光模块光谱线性度的评价指标；对于直视型结构的分光模块，中心波长光线在模块内部不发生折射，出射光线相对于入射光线的偏转角为0，当经过分光模块的离散光谱绝对线性时，短波与中心波长处光线夹角在数值上等于长波与中心波长处光线夹角，采用两个夹角的绝对值比值作为评价光谱线性度的评价指标，由L2表示。
(三)有益效果
本发明提出一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，本发明提出一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，采用棱镜对与闪耀透射光栅组成PPG结构分光模块，利用棱镜与闪耀透射光栅组合的二次色散特性，实现在补偿光谱成像系统色散非线性的同时增大了系统光谱探测范围。光谱仪系统采用直视型共光轴光路设计，使望远系统、光谱成像系统中心处于同一光轴，保证了中心波长光线垂直入射望远系统和垂直出射聚焦成像透镜直至光电探测器。采用上述共光轴光路设计，既改善了光谱非线性又降低了调试难度。
附图说明
图1为本发明的光谱仪设计流程图；
图2是本发明的光谱仪系统图；
图3是本发明的分光模块示意图；
图4是本发明的中心波长光线光路图；
图5是本发明的仿真实验结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
本发明要解决的技术问题是如何提供一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，以解决色散型光谱仪色散非线性以及装配调试困难的问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，该方法包括如下步骤：
S1、构建光谱仪：所述光谱仪包括依次设置的望远系统、光谱成像系统，望远系统将视场内的光会聚、准直，送入光谱成像系统进行光谱信息的分离以及探测；所述望远系统包括前置望远物镜、光阑和准直物镜，各个组成部件顺次摆放，所述光谱成像系统包括分光模块、聚焦成像透镜、滤光片以及光电探测器，各个组成部件顺次摆放，所述分光模块包括棱镜1、棱镜2、闪耀透射光栅以及反射镜1、反射镜2，各个组成部件顺次摆放；
S2、光学材料选择：依据光学材料选择准则，在光谱仪工作光谱范围内选择符合要求的玻璃材料；
S3、色散(PPG)结构优化：确定光栅衍射级数k、光栅常数d的值，在光谱仪中心波长光线偏转角为0、色散角Δ不小于设计值Δ0的条件约束下，利用遍历循环算法优化得到选定光学材料下满足实际光谱仪色散角Δ以及中心波长光线偏转角δ(λ0)设计指标的结构参数值，包括棱镜1第2折射面与竖直方向夹角β和光栅与竖直方向夹角γ；
S4、直视型共光轴设计：在色散结构优化的过程中，利用反射镜对光路进行直视型共光轴设计，得到满足符合直视型共光轴要求的反射镜空间位置值，包括反射镜1法线和反射镜2法线与竖直方向的夹角(φ1,φ2)，反射镜1中心位置高度h，反射镜1中心与光栅中心的水平距离l1，反射镜2中心与反射镜1中心的水平距离l2；
S5、光谱线性度验证：使用光谱线性度指标来评价光谱展开的均匀程度，经过优化设计后的色散结构如果不满足光谱线性度指标要求，返回步骤S2重新开始计算。
步骤S1中，所述光谱仪包括望远系统、光谱成像系统。
所述望远系统包括前置望远物镜、光阑和准直物镜，各个组成部件顺次摆放，其作用主要是将低辐射光强条件下望远物镜视场内的光会聚、准直，送入光谱成像系统，提高探测灵敏度。其中，望远物镜摄取视场内的光线；光阑消除杂散光；准直物镜将光线变成同心光束。
所述光谱成像系统包括分光模块、聚焦成像透镜、滤光片以及光电探测器，各个组成部件顺次摆放，用于实现光谱信息的分离以及将光谱的不同波长的光线聚焦在探测器不同的像面上。
所述分光模块包括棱镜1、棱镜2、闪耀透射光栅以及反射镜1、反射镜2，各个组成部件顺次摆放，用于实现光谱的线性分离。其中棱镜1、棱镜2和闪耀透射光栅组成PPG(棱镜-棱镜-光栅)结构，用于补偿系统色散非线性以及增大系统光谱探测范围；反射镜1和反射镜2用于实现系统直视型共光轴设计。
所述聚焦成像透镜用于平衡和校正各种像差到某一限度内，使得经过分光模块分解后的光谱中同一波长的光会聚到探测器的同一像元。
所述滤光片用于滤除光栅衍射级数k级以外的衍射能量。
所述光电探测器用于对分解后的光谱进行光电流转换。
步骤S2所述玻璃材料的要求包括棱镜1材料n1、棱镜2材料n2以及闪耀透射光栅基底材料n3，令n2＝n3。
步骤S2所述光学材料选择准则具体包括：为保证分光模块各色散元件棱镜1、棱镜2以及闪耀透射光栅处于共轴状态，以及利用棱镜和光栅实现光谱非线性补偿，按照光学材料选择准则需使得中心波长λ0实现无偏折成像，并且棱镜和光栅单独作为色散元件时谱线弯曲相反、色散方向一致。
步骤S3所述偏转角具体包括：棱镜1底角为直角90°，棱镜2顶角α＝β+γ，棱镜1顶角等于棱镜1第2折射面与竖直方向夹角β，光栅与竖直方向的夹角等于γ，光栅常数为d。
光线垂直入射棱镜1，入射角为0°，棱镜1、2和闪耀透射光栅顺次贴合，光线进入棱镜1在棱镜1、2界面处的入射角为i1,出射角为i′1；在棱镜2与闪耀透射光栅界面处入射角为i2,出射角为i′2；在光栅与空气界面处入射角为i3，出射角为i′3，出射光线与光轴夹角为i4；光线通过光栅出射经过反射镜1后的反射光线与反射镜2的夹角为i5；经过反射镜2后的反射光线与反射镜2镜面法线夹角为i6，与光轴夹角为δ。
偏转角是指分光模块出射光线与入射光线的夹角即δ。
步骤S3所述色散角具体包括：令通过分光模块的光线中短波偏转角δ(λ1)与长波偏转角δ(λ2)之差为色散角Δ。
步骤S3所述色散(PPG)结构优化具体包括：在光学结构参数(β,γ,k,d)确定的情况下，可解算出光谱仪设计指标色散角Δ、中心波长偏转角δ(λ0)。为保证棱镜和光栅满足实现光谱非线性补偿的基本要求，需确定光栅衍射级数k、光栅常数d的值，此时系统的自由变量简化为棱镜1第2折射面与竖直方向夹角β，光栅与竖直方向的夹角γ，利用遍历循环算法优化得到选定光学材料下满足实际光谱仪设计指标Δ以及δ(λ0)的β和γ值。
步骤S4所述系统直视型共光轴设计具体包括：系统直视型共光轴设计是指望远系统、光谱成像系统中心处于同一光轴，中心波长λ0光线入射与出射系统时的夹角为0，因此需对反射镜1、2的空间位置进行条件约束，即确定(φ1,φ2,h,l1,l2)的值。
所述约束条件包括：
1、反射镜1中心位置高度h、反射镜1中心与光栅中心的水平距离l1和中心波长光线出射光栅与光轴形成的夹角i4(λ0)构成的正切定理；
2、反射镜1中心位置高度h、反射镜2中心与反射镜1中心的水平距离l2和中心波长光线出射反射镜1与反射镜2形成的夹角i5(λ0)构成的正切定理；
3、反射镜1法线和反射镜2法线与竖直方向的夹角φ1、φ2之间存在的几何关系。
步骤S5所述光谱线性度指标要求具体包括：当经过分光模块的离散光谱绝对线性时，光谱线性度指标L1、L2、…不随波长λ的变化而变化并取值L1(0)、L2(0)、…,但在实际过程中光谱很难做到绝对线性,因此定义|L1-L1(0)|≤ε1、|L2-L2(0)|≤ε2、…为光谱线性度指标要求。
所述光谱线性度指标L1和L2具体包括：偏转角δ对波长λ求得的导数为角色散率
当角色散率
为常数时，偏向角δ不随波长λ的变化而变化，表明通过分光模块色散的光谱均匀线性，因此取短波角色散率与长波角色散率之比来评价分光模块的光谱线性度，定义L1为分光模块光谱线性度的评价指标。
对于直视型结构的分光模块，中心波长光线在模块内部不发生折射，出射光线相对于入射光线的偏转角为0。当经过分光模块的离散光谱绝对线性时，短波与中心波长处光线夹角在数值上等于长波与中心波长处光线夹角，但在实际过程中光谱很难做到绝对线性，因此采用两个夹角的绝对值比值作为评价光谱线性度的评价指标，由L2表示。
所述ε1、ε2、…具体包括：ε1、ε2、…为大于0的常数，用于限制光谱仪优化过程中光谱的线性程度。
实施例1：
本发明提供了一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，目的是解决色散型光谱仪色散非线性以及装配调试困难的问题。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
如图1所示，一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，该方法包括如下步骤：
1.构建光谱仪。所述光谱仪包括依次设置的望远系统、光谱成像系统。望远系统将视场内的光会聚、准直，送入光谱成像系统进行光谱信息的分离以及探测。
2.光学材料选择。依据光学材料选择准则，在光谱仪工作光谱范围内选择符合要求的玻璃材料。
3.色散(PPG)结构优化。确定光栅衍射级数k、光栅常数d的值，在光谱仪中心波长光线偏转角为0、色散角Δ不小于设计值Δ0的条件约束下，利用遍历循环算法优化得到选定光学材料下满足实际光谱仪色散角Δ以及中心波长光线偏转角δ(λ0)设计指标的结构参数值，包括棱镜1第2折射面与竖直方向夹角β和光栅与竖直方向夹角γ。
4.直视型共光轴设计。在色散结构优化的过程中，满足符合要求的色散结构并不唯一，利用反射镜对光路进行直视型共光轴设计，得到满足符合直视型共光轴要求的反射镜空间位置值，包括反射镜1法线和反射镜2法线与竖直方向的夹角(φ1,φ2)，反射镜1中心位置高度h，反射镜1中心与光栅中心的水平距离l1，反射镜2中心与反射镜1中心的水平距离l2。
5.光谱线性度验证。使用光谱线性度指标L1、L2、…来评价光谱展开的均匀程度，所述光谱线性度指标L1、L2、…是与波长λ有关的参量。经过优化设计后的色散结构如果不满足光谱线性度指标要求，返回步骤2重新开始计算。
步骤1所述光谱仪包括望远系统、光谱成像系统，其结构如图2所示。
所述望远系统包括前置望远物镜、光阑和准直物镜，各个组成部件顺次摆放，其作用主要是将低辐射光强条件下望远物镜视场内的光会聚、准直，送入光谱成像系统，提高探测灵敏度。其中，望远物镜摄取视场内的光线；光阑消除杂散光；准直物镜将光线变成同心光束。
所述光谱成像系统包括分光模块、聚焦成像透镜、滤光片以及光电探测器，各个组成部件顺次摆放，用于实现光谱信息的分离以及将光谱的不同波长的光线聚焦在探测器不同的像面上。
所述分光模块结构如图3所示，包括棱镜1、棱镜2、闪耀透射光栅以及反射镜1、反射镜2，各个组成部件顺次摆放，用于实现光谱的线性分离。其中棱镜1、棱镜2和闪耀透射光栅组成PPG(棱镜-棱镜-光栅)结构，用于补偿系统色散非线性以及增大系统光谱探测范围；反射镜1和反射镜2用于实现系统直视型共光轴设计。
所述聚焦成像透镜用于平衡和校正各种像差到某一限度内，使得经过分光模块分解后的光谱中同一波长的光会聚到探测器的同一像元。
所述滤光片用于滤除光栅衍射级数k级以外的衍射能量。
所述光电探测器用于对分解后的光谱进行光电流转换。
步骤2所述光学材料包括棱镜1材料n1、棱镜2材料n2以及闪耀透射光栅基底材料n3，令n2＝n3。
步骤2所述光学材料选择准则具体包括：为保证分光模块各色散元件棱镜1、棱镜2以及闪耀透射光栅处于共轴状态，按照所选择的中心波长λ0实现无偏折成像，需使得各色散元件在中心波长处的材料折射率相等，即
n1(λ0)＝n2(λ0)＝n3(λ0) (1)
根据光学的基本原理可知，利用棱镜和光栅实现光谱非线性补偿的基本要求是二者单独作为色散元件时谱线弯曲相反、色散方向一致。根据斯涅尔定律公式和光栅方程分析各自的色散情况，当式(2)成立时光学材料选择符合光谱非线性补偿的基本要求。
式中，λ1和λ2分别表示经过分离的光谱短波与长波处的波长。因此光学材料选择的准则为
步骤3所述偏转角具体包括：如图3所示，棱镜1底角为直角90°，棱镜2顶角α＝β+γ，棱镜1顶角等于棱镜1第2折射面与竖直方向夹角β，光栅与竖直方向的夹角等于γ，光栅常数为d。
光线垂直入射棱镜1，入射角为0°，棱镜1、2和闪耀透射光栅顺次贴合，光线进入棱镜1在棱镜1、2界面处的入射角为i1,出射角为i′1；在棱镜2与闪耀透射光栅界面处入射角为i2,出射角为i′2；在光栅与空气界面处入射角为i3，出射角为i′3，出射光线与光轴夹角为i4；光线通过光栅出射经过反射镜1后的反射光线与反射镜2的夹角为i5；经过反射镜2后的反射光线与反射镜2镜面法线夹角为i6，与光轴夹角为δ。
偏转角是指分光模块出射光线与入射光线的夹角即δ，由几何位置关系可得
则
δ＝i′3-i′3（λ0） (5)
步骤3所述色散角具体包括：令通过分光模块的光线中短波偏转角δ(λ1)与长波偏转角δ(λ2)之差为色散角Δ，则
Δ＝δ(λ11)-δ(λ2)＝i′3(λ1)-i′3(λ2) (6)
根据光线折射定律、光栅方程以及几何关系可得
式中，光栅衍射级数k＝±1,±2,…。由式(7)可得
将式(8)代入式(6)即可求得色散角。
步骤3所述色散(PPG)结构优化具体包括：在光学结构参数(β,γ,k,d)确定的情况下，根据式(5)、(6)、(8)即可解算出光谱仪设计指标色散角Δ、中心波长偏转角δ(λ0)。为保证棱镜和光栅满足实现光谱非线性补偿的基本要求，需确定光栅衍射级数k、光栅常数d的值，此时系统的自由变量简化为棱镜1第2折射面与竖直方向夹角β，光栅与竖直方向的夹角γ，利用遍历循环算法优化得到选定光学材料下满足实际光谱仪设计指标Δ以及δ(λ0)的β和γ值。
步骤4所述系统直视型共光轴设计具体包括：系统直视型共光轴设计是指望远系统、光谱成像系统中心处于同一光轴，中心波长λ0光线入射与出射系统时的夹角为0，因此需对反射镜1、2的空间位置进行条件约束，即确定(φ1,φ2,h,l1,l2)的值。
结合图4中心波长光线光路图中反射镜1、2几何位置关系可得
当中心波长光线沿着光轴出射即出射光线与入射光线的光轴偏移量为0时，有
由(10)解得反射镜2与光轴夹角
步骤5所述光谱线性度指标要求具体包括：当经过分光模块的离散光谱绝对线性时，L1、L2、…不随波长λ的变化而变化并取值L1(0)、L2(0)、…,但在实际过程中光谱很难做到绝对线性,因此定义|L1-L1(0)|≤ε1、|L2-L2(0)|≤ε2、…为光谱线性度指标要求。
步骤5所述ε1、ε2具体包括：ε1、ε2为大于0的常数，用于限制光谱仪优化过程中光谱的线性程度。
本实施例中，以工作波段为400-990nm、中心波长偏转角和光轴偏移量为0、色散角不小于15°、|L1-L1(0)|≤0.05、|L2-L2(0)|≤0.15为设计指标要求对光谱仪进行设计，对设计结果进行仿真验证如图5所示。结果表明本发明所设计的光谱仪色散均匀线性、结构紧凑且光谱分辨率优于1.5nm。在1000-1600nm、1600-2200nm波段本发明的普适性也得到了验证，理论上本发明设计方法在任意光谱段都可以实现直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计。
本发明提出一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，采用棱镜对与闪耀透射光栅组成PPG结构分光模块，利用棱镜与闪耀透射光栅组合的二次色散特性，实现在补偿光谱成像系统色散非线性的同时增大了系统光谱探测范围。光谱仪系统采用直视型共光轴光路设计，使望远系统、光谱成像系统中心处于同一光轴，保证了中心波长光线垂直入射望远系统和垂直出射聚焦成像透镜直至光电探测器。采用上述共光轴光路设计，既改善了光谱非线性又降低了调试难度。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
S1、构建光谱仪：所述光谱仪包括依次设置的望远系统、光谱成像系统，望远系统将视场内的光会聚、准直，送入光谱成像系统进行光谱信息的分离以及探测；所述望远系统包括前置望远物镜、光阑和准直物镜，各个组成部件顺次摆放，所述光谱成像系统包括分光模块、聚焦成像透镜、滤光片以及光电探测器，各个组成部件顺次摆放，所述分光模块包括棱镜1、棱镜2、闪耀透射光栅以及反射镜1、反射镜2，各个组成部件顺次摆放；
S2、光学材料选择：依据光学材料选择准则，在光谱仪工作光谱范围内选择符合要求的玻璃材料；
S3、色散(PPG)结构优化：确定光栅衍射级数k、光栅常数d的值，在光谱仪中心波长光线偏转角为0、色散角Δ不小于设计值Δ0的条件约束下，利用遍历循环算法优化得到选定光学材料下满足实际光谱仪色散角Δ以及中心波长光线偏转角δ(λ0)设计指标的结构参数值，包括棱镜1第2折射面与竖直方向夹角β和光栅与竖直方向夹角γ；
S4、直视型共光轴设计：在色散结构优化的过程中，利用反射镜对光路进行直视型共光轴设计，得到满足符合直视型共光轴要求的反射镜空间位置值，包括反射镜1法线和反射镜2法线与竖直方向的夹角(φ1,φ2)，反射镜1中心位置高度h，反射镜1中心与光栅中心的水平距离l1，反射镜2中心与反射镜1中心的水平距离l2；
S5、光谱线性度验证：使用光谱线性度指标来评价光谱展开的均匀程度，经过优化设计后的色散结构如果不满足光谱线性度指标要求，返回步骤S2重新开始计算。
2.如权利要求1所述的直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，所述望远系统包括前置望远物镜、光阑和准直物镜，各个组成部件顺次摆放，其作用是将低辐射光强条件下望远物镜视场内的光会聚、准直，送入光谱成像系统，其中，望远物镜摄取视场内的光线；光阑消除杂散光；准直物镜将光线变成同心光束。
3.如权利要求1所述的直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，所述分光模块包括棱镜1、棱镜2、闪耀透射光栅以及反射镜1、反射镜2，各个组成部件顺次摆放，用于实现光谱的线性分离；其中棱镜1、棱镜2和闪耀透射光栅组成棱镜-棱镜-光栅PPG结构，用于补偿系统色散非线性以及增大系统光谱探测范围；反射镜1和反射镜2用于实现系统直视型共光轴设计；所述聚焦成像透镜用于平衡和校正各种像差到某一限度内，使得经过分光模块分解后的光谱中同一波长的光会聚到探测器的同一像元；所述滤光片用于滤除光栅衍射级数k级以外的衍射能量；所述光电探测器用于对分解后的光谱进行光电流转换。
4.如权利要求1-3任一项所述的直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，所述步骤S2所述玻璃材料的要求包括棱镜1材料n1、棱镜2材料n2以及闪耀透射光栅基底材料n3，令n2＝n3。
5.如权利要求4所述的直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，所述步骤S2所述光学材料选择准则具体包括：为保证分光模块各色散元件棱镜1、棱镜2以及闪耀透射光栅处于共轴状态，以及利用棱镜和光栅实现光谱非线性补偿，按照光学材料选择准则需使得中心波长λ0实现无偏折成像，并且棱镜和光栅单独作为色散元件时谱线弯曲相反、色散方向一致。
6.如权利要求4所述的直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，所述步骤S3所述偏转角具体包括：棱镜1底角为直角90°，棱镜2顶角α＝β+γ，棱镜1顶角等于棱镜1第2折射面与竖直方向夹角β，光栅与竖直方向的夹角等于γ，光栅常数为d；光线垂直入射棱镜1，入射角为0°，棱镜1、2和闪耀透射光栅顺次贴合，光线进入棱镜1在棱镜1、2界面处的入射角为i1,出射角为i′1；在棱镜2与闪耀透射光栅界面处入射角为i2,出射角为i′2；在光栅与空气界面处入射角为i3，出射角为i′3，出射光线与光轴夹角为i4；光线通过光栅出射经过反射镜1后的反射光线与反射镜2的夹角为i5；经过反射镜2后的反射光线与反射镜2镜面法线夹角为i6，与光轴夹角为δ；偏转角是指分光模块出射光线与入射光线的夹角即δ；所述步骤S3所述色散角具体包括：令通过分光模块的光线中短波偏转角δ(λ1)与长波偏转角δ(λ2)之差为色散角Δ。
7.如权利要求6所述的直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，所述步骤S3所述色散(PPG)结构优化具体包括：在光学结构参数(β,γ,k,d)确定的情况下，解算出光谱仪设计指标色散角Δ、中心波长偏转角δ(λ0)；为保证棱镜和光栅满足实现光谱非线性补偿的基本要求，需确定光栅衍射级数k、光栅常数d的值，此时系统的自由变量简化为棱镜1第2折射面与竖直方向夹角β，光栅与竖直方向的夹角γ，利用遍历循环算法优化得到选定光学材料下满足实际光谱仪设计指标Δ以及δ(λ0)的β和γ值。
8.如权利要求7所述的直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，所述步骤S4所述系统直视型共光轴设计具体包括：系统直视型共光轴设计是指望远系统、光谱成像系统中心处于同一光轴，中心波长λ0光线入射与出射系统时的夹角为0，因此需对反射镜1、2的空间位置进行条件约束，即确定(φ1,φ2,h,l1,l2)的值；
所述约束条件包括：
反射镜1中心位置高度h、反射镜1中心与光栅中心的水平距离l1和中心波长光线出射光栅与光轴形成的夹角i4(λ0)构成的正切定理；
反射镜1中心位置高度h、反射镜2中心与反射镜1中心的水平距离l2和中心波长光线出射反射镜1与反射镜2形成的夹角i5(λ0)构成的正切定理；
反射镜1法线和反射镜2法线与竖直方向的夹角φ1、φ2之间存在的几何关系。
9.如权利要求8所述的直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，所述步骤S5中的所述光谱线性度指标要求具体包括：光谱线性度指标L1、L2满足|L1-L1(0)|≤ε1、|L2-L2(0)|≤ε2，所述ε1、ε2为大于0的常数，用于限制光谱仪优化过程中光谱的线性程度。
10.如权利要求9所述的直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，所述光谱线性度指标L1和L2获取方式包括：偏转角δ对波长λ求得的导数为角色散率
当角色散率
为常数时，偏向角δ不随波长λ的变化而变化，表明通过分光模块色散的光谱均匀线性，因此取短波角色散率与长波角色散率之比来评价分光模块的光谱线性度，定义L1为分光模块光谱线性度的评价指标；对于直视型结构的分光模块，中心波长光线在模块内部不发生折射，出射光线相对于入射光线的偏转角为0，当经过分光模块的离散光谱绝对线性时，短波与中心波长处光线夹角在数值上等于长波与中心波长处光线夹角，采用两个夹角的绝对值比值作为评价光谱线性度的评价指标，由L2表示。
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| CN202210790976.8A CN115165099A (zh) | 2022-07-05 | 2022-07-05 | 一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法 |
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| CN115165099A true CN115165099A (zh) | 2022-10-11 |
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|---|---|---|---|---|
| CN117492208A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-02-02 | 山东大学 | 一种k域光谱仪棱镜的设计方法 |
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2022
- 2022-07-05 CN CN202210790976.8A patent/CN115165099A/zh active Pending
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|---|---|---|---|---|
| CN117492208A (zh) * | 2023-12-29 | 2024-02-02 | 山东大学 | 一种k域光谱仪棱镜的设计方法 |
| CN117492208B (zh) * | 2023-12-29 | 2024-03-08 | 山东大学 | 一种k域光谱仪棱镜的设计方法 |
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