CN117007183A - 一种基于双臂补偿的成像光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明属于高分辨率精细光谱成像光谱仪设计技术领域，具体涉及一种基于双臂补偿的成像光谱仪。所述成像光谱仪包括沿光轴依次设置的狭缝、前臂补偿透镜、准直成像透镜、平面光栅、折轴镜和后臂补偿透镜，所述前臂补偿透镜和后臂补偿透镜为弯月正透镜；所述准直成像透镜由第一准直成像镜和第二准直成像镜组成，第一准直成像镜为弯月负透镜，第二准直成像镜为双凸正透镜。本发明有效解抑制了平面光栅所产生的光谱弯曲，从硬件角度增强了系统的光谱识别能力；有效补偿了系统的残余光谱弯曲和残余像散，制造成本更低。本发明设计了一款数值孔径为0.167的成像光谱仪，光谱弯曲＜2.2μm。
Description
技术领域
本发明属于高分辨率精细光谱成像光谱仪设计技术领域，具体涉及一种基于双臂补偿的成像光谱仪。
背景技术
高分辨率精细成像光谱仪通常采用非球面校正系统的像差，通过折转像面的位置使狭缝和像面置于不同平面内，但是这种结构造成光路较为复杂，加工装调难度大，制作成本较高。为了克服这个技术问题。在202011309962.7中提供的“一种基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统”，包括沿系统光轴方向依次设置的狭缝、前臂补偿透镜组、折叠反射镜、光路复用透镜组和平面光栅；所述前臂补偿透镜组、光路复用透镜组和平面光栅均共光轴设置，所述狭缝偏向系统光轴的一侧设置，所述折叠反射镜偏向系统光轴的另一侧设置，所述折叠反射镜远离系统光轴的一侧还设置有探测器。在202211530335.5中提供了“基于后臂补偿的Littrow短波成像光谱系统”，该系统包括沿光路依次设置的狭缝、Littrow光学模块、平面光栅、后臂补偿透镜组及探测器模块。
上述的系统在实际使用中，发现存在着以下的问题:
1、由于平面光栅分光模块由于狭缝方向与系统的子午面互相垂直，狭缝上相同谱线不同物点发出的光线经过平面光栅后也会产生较为严重的谱线弯曲，严重的谱线弯曲就会使得系统产生光谱混叠，严重影响系统的成像质量。
2、光学结构不够紧凑，系统体积仍然满足不了一些狭小空间的使用，同时镜片数量多，成本降低的不够理想。
3、因为狭缝与探测器距离太近，会存在探测器的安装与狭缝的安装存在一定的干涉。
4、由于狭缝的相对于透镜组光轴的离轴量太小，该系统设计原理可行，但是很难实现工程。
5、由于系统设计波长及材料种类的限制，该光路很难同时匹配使用多种光栅，实现不同的光谱分辨率。
6、装配工艺复杂，对各光学元件之间的间距和相对位置有较高的精度要求。
7、由于所用材料种类受限以及系统的光栅衍射效率受限，系统仍然无法实现高信噪比，高动态范围光谱成像。
综上所述，不断优化双臂补偿的成像光谱仪的性能，成为本领域科研人员的重点研究方向。
发明内容
本发明要提供一种基于双臂补偿的成像光谱仪，要克服现有技术存在的系统的成像质量不理想、成本较高、难实现工程、装配精度要求高，同时无法实现高信噪比、高动态范围光谱成像的问题。
为了达到本发明的目的，本发明提供的技术方案是：一种基于双臂补偿的成像光谱仪，包括沿光轴依次设置的狭缝、前臂补偿透镜、准直成像透镜、平面光栅、折轴镜和后臂补偿透镜；所述前臂补偿透镜和后臂补偿透镜为弯月正透镜；所述准直成像透镜由第一准直成像镜和第二准直成像镜组成，第一准直成像镜为弯月负透镜，第二准直成像镜为双凸正透镜。
进一步的，上述前臂补偿透镜由折射率nd＝1.5168，阿贝数vd＝64.167的材料制成；
进一步的，上述第一准直成像镜由折射率nd＝1.7995，阿贝数vd＝42.368的材料制成；第二准直成像镜由折射率nd＝1.4586，阿贝数vd＝90.172的材料制成；
进一步的，上述后臂补偿透镜由折射率nd＝1.74，阿贝数vd＝28.29的材料制成。
进一步的，上述后臂补偿透镜，其透镜离轴量为4.8mm和4.2mm。
与现有技术相比，本发明的优点是：
1、本发明首次提出在前臂位置和后臂位置同时加偏心透镜来校正系统的光谱弯曲，通过前臂补偿偏心透镜和后臂补偿偏心透镜相结合，有效矫正了全系统的光谱弯曲，经过两次补偿，更容易补偿平面光栅带来的光谱弯曲，有效解抑制了平面光栅所产生的光谱弯曲，从硬件角度增强了系统的光谱识别能力。
2、由于采用双臂补偿技术，有效补偿了系统的残余光谱弯曲和残余像散，使得本次设计的系统体积更小，结构更加紧凑，镜片数量更少，制造成本更低。其系统的空间体积为115mm×45mm×61mm。
3、由于由于双臂补偿技术的原因，在系统的中间光路中加入折轴镜，将像面与狭缝在空间位置上进行分离，且后臂补偿透镜组采用离轴透镜，使得系统的后焦距离更长，更加有利于探测器的安装和调节。
4、在光学模型上，光学结构更加紧凑，通过离轴量的调节，更容易实现工程化以及产品的简单模块化。
5、由于所用材料的透过率范围宽，系统的孔径角度大，可接收不同衍射角，不同刻线密度的平面光栅，以满足不同的光谱分辨率需求。
6、本发明装配工艺简单，对各光学元件之间的间距和相对位置无特殊需求，只要满足组装工艺即可。
7、由于采用双臂补偿光路模型，以及共用准直成像镜的设计思想，实现了系统的大相对孔径，高分辨率、高信噪比，轻量化小型化设计。
8、涉及范围广：本发明仪器涉及的光谱范围是多种地物目标的特征吸收谱和反射谱所在区域，被广泛应用于大气环境成分分析、遥感、医学探测与诊断、矿物资源探测、环境监测、军事侦察和伪装识别。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为光谱弯曲曲线图。
附图标记说明：1-狭缝、2-前臂补偿透镜、3-准直成像透镜、3-1-第一准直成像镜、3-2-第二准直成像镜、4-平面光栅、5-折轴镜、6-后臂补偿透镜、7-像面位置。
具体实施方式
以下结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
参见图1，一种基于双臂补偿的成像光谱仪，包括沿光轴依次设置的狭缝1、前臂补偿透镜2、准直成像透镜3、平面光栅4、折轴镜5、后臂补偿透镜6，所述准直成像镜3由第一准直成像镜3-1和第二准直成像镜3-2组成。
所述狭缝1接收物镜获得的光谱信息，不同的狭缝1宽度可以满足不同的光谱分辨率，不同的狭缝1宽度会影响系统的信噪比。
所述所述前臂补偿透镜2为弯月正透镜，由折射率nd＝1.5168，阿贝数vd＝64.167的材料制成。其作为场镜，使狭缝1位置处的入射光为近似物方远心光路，减小系统光瞳像差和光瞳漂移，其作为离轴透镜，产生与平面光栅相反的光谱弯曲，对全系统的光谱弯曲起到补偿作用。
所述准直成像镜3和平面光栅4是本发明的核心部分，第一准直成像镜3-1为弯月负透镜，由折射率nd＝1.7995，阿贝数vd＝42.368的材料制成；第二准直成像镜3-2为双凸正透镜，由折射率nd＝1.4586，阿贝数vd＝90.172的材料制成。主要是对光束进行分光，是系统的分光模块。准直成像镜3对经过狭缝1和前臂补偿透镜2的光束进行准直，使得准直光束入射到平面光栅4上。所述平面光栅4对入射的准直光束进行衍射，将会聚的复色光衍射成单波长的单色光。衍射光再经过准直成像镜3会聚，经过折轴镜5反射，入射到后臂补偿透镜6中。
所述后臂补偿透镜6为弯月正透镜，由折射率nd＝1.74，阿贝数vd＝28.29的材料制成，透镜离轴量为4.8mm和4.2mm，用来补偿系统的残余光谱弯曲。
所述前臂补偿透镜2和后臂补偿透镜6承担校正补偿整个系统的光谱弯曲。
本发明提供的一种基于双臂补偿的成像光谱仪光学系统，其数值孔径为0.167，其工作的环境温度为-40℃～60℃；将像元尺寸为11μm的探测器设置于像面位置7处，参见图2,经过测试，在0.45～0.9μm波长范围内，光谱仪的光谱分辨率优于5nm，光谱弯曲＜2.2μm，满足国际高分辨率要求。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例,并非对本发明作任何形式上的限制，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属本发明技术方案的保护范围。
Claims (5)
1.一种基于双臂补偿的成像光谱仪，其特征在于：包括沿光轴依次设置的狭缝(1)、前臂补偿透镜(2)、准直成像透镜(3)、平面光栅(4)、折轴镜(5)和后臂补偿透镜(6)；所述前臂补偿透镜(2) 和后臂补偿透镜(6)为弯月正透镜；所述准直成像透镜(3)由第一准直成像镜(3-1)和第二准直成像镜(3-2)组成，第一准直成像镜(3-1)为弯月负透镜，第二准直成像镜(3-2)为双凸正透镜。
2.根据权利要求1所述的一种基于双臂补偿的成像光谱仪，其特征在于：所述前臂补偿透镜(2)由折射率nd=1.5168，阿贝数vd=64.167的材料制成。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于双臂补偿的成像光谱仪，其特征在于：所述第一准直成像镜(3-1)由折射率nd=1.7995，阿贝数vd=42.368的材料制成；第二准直成像镜(3-2)由折射率nd=1.4586，阿贝数vd=90.172的材料制成。
4.根据权利要求3所述的一种基于双臂补偿的成像光谱仪，其特征在于：所述后臂补偿透镜(6)由折射率nd=1.74，阿贝数vd=28.29的材料制成。
5.根据权利要求4所述的一种基于双臂补偿的成像光谱仪，其特征在于：所述后臂补偿透镜（6），其透镜离轴量为4.8mm和4.2mm。
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