CN117647311B - 一种飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统及其应用，属于光谱仪技术领域。光学系统按照光束传播轨迹顺序包括入射狭缝、平面折转镜A、平面折转镜B、离轴抛物面镜、中阶梯光栅、平面反射镜、屋脊回向反射器、柱面镜A、柱面镜B和面阵探测器。本发明利用中阶梯光栅光栅四次色散和光谱维二次成像放大实现飞米级超高光谱分辨率，利用中阶梯光栅扫描实现宽波段覆盖，解决了飞米级超高光谱分辨率光谱仪设计和研制的难题。
Description
技术领域
本发明涉及一种飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统及其应用，属于光谱仪技术领域。
背景技术
光谱分辨率是光谱仪器的重要指标之一，随着科学技术的发展和进步，对光谱仪仪器的分辨率的要求也越来越高，如对激光谱线精细结构分析、元素等离子体光谱分析等等。光栅色散型光谱仪器具有色散均匀、光谱直读性好等优势，是光谱仪器的重要分支。但光栅色散光谱仪器的光谱分辨率主要由光栅刻线密度、级次、准直镜和成像镜的焦距等决定。
现有的光栅色散光谱仪的光谱的光谱分辨率一般为几百~几个皮米（pm），不能满足飞米（fm）级超高光谱分辨率测试的需求。要提高光栅色散光谱仪的分辨率，通常会增加光谱仪准直镜和成像镜的焦距，这会导致光谱仪的体积和重量急剧增加，制造非常困难。如何在光谱仪体积和重量不急剧增加的条件下，实现宽光谱范围测量并获得超高光谱分辨率是亟需解决的关键技术难题。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明提供一种飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统，利用中阶梯光栅光栅四次色散和光谱维二次成像放大实现飞米级超高光谱分辨率，利用中阶梯光栅扫描实现宽波段覆盖，解决了飞米级超高光谱分辨率光谱仪设计和研制的难题。
本发明还提供上述飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统的应用。
本发明的技术方案如下：
一种飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统，按照光束传播轨迹顺序包括入射狭缝、平面折转镜A、平面折转镜B、离轴抛物面镜、中阶梯光栅、平面反射镜、屋脊回向反射器、柱面镜A、柱面镜B和面阵探测器；
入射狭缝作为光谱仪的物面，平面折转镜A和平面折转镜B用于光路转折，减小光谱仪的体积，离轴抛物面镜用于光束准直和聚焦，中阶梯光栅作为色散元件，利用中阶梯光栅的高衍射级次提高光谱仪的分辨率，平面反射镜用于将经中阶梯光栅色散的衍射光束反射回中阶梯光栅再次色散，屋脊回向反射器用于将两次色散分光后的光束返回，再进行两次色散分光，并且后两次色散分光与前两次色散分光色散相加，光谱分辨率较前两次色散分光提升2倍，柱面镜A和柱面镜B用来对色散方向进行放大，进一步提升光谱分辨率，面阵探测器用于接收色散后的光谱辐射，靶面长度方向对应色散方向，靶面宽度方向对应垂直色散方向。
根据本发明优选的，中阶梯光栅的长度L满足：200mm≤L≤600mm，40g/mm≤刻线密度≤100g/mm，20≤衍射级次≤150。
根据本发明优选的，离轴抛物面镜离轴角为4°~10°，绕y轴方向旋转角为0.02°~0.2°。
根据本发明优选的，平面折转镜A绕x轴方向旋转角度为4°~10°，平面折转镜B绕x轴方向旋转角度为-10°~-4°。
中阶梯光栅入射角范围为72.13°~82.35°，衍射角范围为69.13°~79.35°，衍射级次范围为22级~129级，刻线密度为79g/mm，闪耀角为76°。
屋脊回向反射器绕x轴方向旋转角度为45°。
柱面镜A绕y轴方向旋转角度为-10°~-2°，柱面镜B绕y轴方向旋转角度为2°~10°，柱面A曲率半径R AC 和柱面镜B的曲率半径R BC 满足2R AC ≤R BC ≤10R AC 。
根据本发明优选的，入射狭缝位于离轴抛物面镜的焦点处。
根据本发明优选的，屋脊回向反射器位于入射狭缝正下方。
根据本发明优选的，柱面镜A和柱面镜B位组成的中继系统的放大倍率β满足：2≤β≤10。
上述飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统的应用，步骤如下：
（1）目标辐射经光纤导入，经过入射狭缝后，入射到平面折转镜A，经过光路折转，入射到平面折转镜B上，再经平面折转镜B折转，入射到离轴抛物面镜上，经离轴抛物面镜准直后，入射到中阶梯光栅上，进行第一次色散；
（2）经中阶梯光栅色散后的衍射光，入射到平面反射镜上，经平面反射镜反射后原路返回的衍射光再次入射到中阶梯光栅上，进行第二次色散；
（3）经中阶梯光栅色散后的衍射光，出射到离轴抛物面镜，经离轴抛物面镜反射后的出射光经平面折转镜B和平面折转镜A后抵达屋脊回向反射器，即完成两次完整的色散分光；
（4）经过屋脊回向反射器反射后，出射光再次入射到平面折转镜A上，经平面折转镜A光路折转后，入射到平面折转镜B上，再经平面折转镜B折转后，入射到离轴抛物面镜上，经离轴抛物面镜准直后，入射到中阶梯光栅上，进行第三次色散；
（5）经中阶梯光栅色散后的衍射光，入射到平面反射镜上，经平面反射镜反射后原路返回的衍射光再次入射到中阶梯光栅上，进行第四次色散；
（6）经中阶梯光栅色散后的衍射光，出射到离轴抛物面镜，经离轴抛物面镜反射后的出射光经平面折转镜B和平面折转镜A后抵达柱面镜A，经柱面镜A反射后入射到柱面镜B，经过柱面镜A和柱面镜B，将色散方向放大后中继成像到面阵探测器上，光谱窗口内的光分布在面阵探测器长度方向，获得超高光谱分辨率光谱。
由于光谱仪光谱分辨率超高，光谱窗口（即探测器靶面一次能接收的光谱范围）有限，所以同一级次的光谱采用中阶梯光栅扫描获取某一级次的光谱，不同级次的光谱通过中阶梯光栅往复扫描，实现宽波段范围覆盖。
本发明的有益效果在于：
本发明提供一种飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统，利用中阶梯光栅光栅四次色散和光谱维二次成像放大实现飞米级超高光谱分辨率，利用中阶梯光栅扫描实现宽波段覆盖，解决了飞米级超高光谱分辨率光谱仪设计和研制的难题。
附图说明
图1为本发明的光学系统示意图；
其中，1-入射狭缝，2-平面折转镜A，3-平面折转镜B，4-离轴抛物面镜，5-中阶梯光栅，6-平面反射镜，7-屋脊回向反射器，8-柱面镜A，9-柱面镜B，10-面阵探测器；
图2为本发明的屋脊回向反射器的放大图；
图3为本发明在视场1，0mm、视场2，0.35mm、视场3，-0.35mm、视场4，0.5mm、视场5，-0.5mm下，192.996nm波长的点列图；
图4为本发明在视场1，0mm、视场2，0.35mm、视场3，-0.35mm、视场4，0.5mm、视场5，-0.5mm下，193nm波长的点列图；
图5为本发明在视场1，0mm、视场2，0.35mm、视场3，-0.35mm、视场4，0.5mm、视场5，-0.5mm下，193.004nm波长的点列图；
图6为本发明的飞米级超高分辨率光谱仪光学系统RMS半径随192.996~193.004nm波长变化关系图；
图7为本发明在波长192.996nm~193.004nm范围内的像面光迹图，图中，由上到下的三处弧形段分别为波长193 nm、波长192.996nm、波长193.004nm的像面光迹。
具体实施方式
下面通过实施例并结合附图对本发明做进一步说明，但不限于此。
实施例1：
如图1-2所示，本实施提供一种飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统，按照光束传播轨迹顺序包括入射狭缝1、平面折转镜A2、平面折转镜B3、离轴抛物面镜4、中阶梯光栅5、平面反射镜6、屋脊回向反射器7、柱面镜A8、柱面镜B9和面阵探测器10；
入射狭缝作为光谱仪的物面，平面折转镜A和平面折转镜B用于光路转折，减小光谱仪的体积，离轴抛物面镜用于光束准直和聚焦，中阶梯光栅作为色散元件，利用中阶梯光栅的高衍射级次提高光谱仪的分辨率，平面反射镜用于将经中阶梯光栅色散的衍射光束反射回中阶梯光栅再次色散，屋脊回向反射器用于将两次色散分光后的光束返回，再进行两次色散分光，并且后两次色散分光与前两次色散分光色散相加，光谱分辨率较前两次色散分光提升2倍，柱面镜A和柱面镜B用来对色散方向进行放大，进一步提升光谱分辨率，面阵探测器用于接收色散后的光谱辐射，靶面长度方向对应色散方向，靶面宽度方向对应垂直色散方向。
中阶梯光栅的长度L满足：200mm≤L≤600mm，刻线密度为79g/mm，闪耀角为76°，衍射级次范围为22级~129级，级次22级对应波长为1100nm，级次129级对应波长为190nm，离轴抛物面镜离轴角为4°~10°，绕y轴方向旋转角度为0.02°~0.2°，平面折转镜A绕x轴方向旋转角度为6.635°，平面折转镜B绕x轴方向旋转角度为-8°。
中阶梯光栅入射角范围为72.13°~82.35°，衍射角范围为69.13°~79.35°，衍射级次范围为22级~129级，刻线密度为79g/mm，闪耀角为76°。屋脊回向反射器绕x轴方向旋转角度为45°。柱面镜A绕y轴方向旋转角度为-4°，柱面镜B绕y轴方向旋转角度为4°，柱面A曲率半径R AC 和柱面镜B的曲率半径R BC 满足2R AC ≤R BC ≤10R AC 。本实施例的工作波段190-1100nm，光谱分辨率优于20fm@193nm。
入射狭缝位于离轴抛物面镜的焦点处。
屋脊回向反射器位于入射狭缝正下方。
柱面镜A和柱面镜B位组成的中继系统的放大倍率β满足：2≤β≤10。
上述飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统的应用，步骤如下：
（1）目标辐射经光纤导入，经过入射狭缝后，入射到平面折转镜A，经过光路折转，入射到平面折转镜B上，再经平面折转镜B折转，入射到离轴抛物面镜上，经离轴抛物面镜准直后，入射到中阶梯光栅上，进行第一次色散；
（2）经中阶梯光栅色散后的衍射光，入射到平面反射镜上，经平面反射镜反射后原路返回的衍射光再次入射到中阶梯光栅上，进行第二次色散；
（3）经中阶梯光栅色散后的衍射光，出射到离轴抛物面镜，经离轴抛物面镜反射后的出射光经平面折转镜B和平面折转镜A后抵达屋脊回向反射器，即完成两次完整的色散分光；
（4）经过屋脊回向反射器反射后，将入射光转折180°，以与入射光相同的角度出射，出射光再次入射到平面折转镜A上，经平面折转镜A光路折转后，入射到平面折转镜B上，再经平面折转镜B折转后，入射到离轴抛物面镜上，经离轴抛物面镜准直后，入射到中阶梯光栅上，进行第三次色散；
（5）经中阶梯光栅色散后的衍射光，入射到平面反射镜上，经平面反射镜反射后原路返回的衍射光再次入射到中阶梯光栅上，进行第四次色散；
（6）经中阶梯光栅色散后的衍射光，出射到离轴抛物面镜，经离轴抛物面镜反射后的出射光经平面折转镜B和平面折转镜A后抵达柱面镜A，经柱面镜A反射后入射到柱面镜B，经过柱面镜A和柱面镜B将色散方向放大4倍后中继成像到面阵探测器上，光谱窗口内的光分布在面阵探测器长度方向，获得超高光谱分辨率光谱。
在193nm处的光谱窗口为8pm，同一级次的光谱采用中阶梯光栅扫描获取某一级次的光谱，不同级次的光谱通过中阶梯光栅往复扫描，实现宽波段（190-1100nm）范围覆盖。
在不同视场下，192.996nm、193nm、193.004nm波长的点列图分布如图3、图4、图5所示，其中，弥散斑形状类似矩形，色散方向Y 方向RMS半径为60um左右，效果良好。
色散方向点列图的RMS半径随波长的变化关系曲线如图6所示，色散方向Y 方向RMS半径为12.85um，效果良好。
像面上的光线印迹图如图7所示，在波长 192.996nm~193.004nm范围内，像面上的线色散宽度为24.8837mm。
光谱仪体积1.5m×0.6m×0.3m，重量50kg。
光谱分辨率由线色散率、狭缝像宽度、点列图在色散方向的RMS直径决定，狭缝像的宽度为W S=44μm，点列图在色散方向的RMS直径W D=25.7μm。
通道范围192.996~193.004nm在像面上的线色散宽度为24.8837mm。
得到193nm 光谱分辨率为16.79 fm。
以上所述仅为本发明的实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统，其特征在于，按照光束传播轨迹顺序包括入射狭缝、平面折转镜A、平面折转镜B、离轴抛物面镜、中阶梯光栅、平面反射镜、屋脊回向反射器、柱面镜A、柱面镜B和面阵探测器；
入射狭缝作为光谱仪的物面，平面折转镜A和平面折转镜B用于光路转折，离轴抛物面镜用于光束准直和聚焦，中阶梯光栅作为色散元件，平面反射镜用于将经中阶梯光栅色散的衍射光束反射回中阶梯光栅再次色散，屋脊回向反射器用于将两次色散分光后的光束返回，再进行两次色散分光，柱面镜A和柱面镜B用来对色散方向进行放大，面阵探测器用于接收色散后的光谱辐射，靶面长度方向对应色散方向，靶面宽度方向对应垂直色散方向；
入射狭缝位于离轴抛物面镜的焦点处，屋脊回向反射器位于入射狭缝正下方。
2.如权利要求1所述的飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统，其特征在于，中阶梯光栅的长度L满足：200mm≤L≤600mm，40g/mm≤刻线密度≤100g/mm，20≤衍射级次≤150。
3.如权利要求2所述的飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统，其特征在于，离轴抛物面镜离轴角为4°～10°，绕y轴方向旋转角为0.02°～0.2°。
4.如权利要求3所述的飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统，其特征在于，平面折转镜A绕x轴方向旋转角度为4°～10°，平面折转镜B绕x轴方向旋转角度为-10°～-4°；
中阶梯光栅入射角范围为72.13°～82.35°，衍射角范围为69.13°～79.35°，衍射级次范围为22级～129级，刻线密度为79g/mm，闪耀角为76°；
屋脊回向反射器绕x轴方向旋转角度为45°；
柱面镜A绕y轴方向旋转角度为-10°～-2°，柱面镜B绕y轴方向旋转角度为2°～10°，柱面A曲率半径RAC和柱面镜B的曲率半径RBC满足2RAC≤RBC≤10RAC。
5.如权利要求4所述的飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统，其特征在于，柱面镜A和柱面镜B组成的中继系统的放大倍率β满足：2≤β≤10。
6.如权利要求5所述的飞米级超高光谱分辨率光谱仪光学系统的应用，其特征在于，步骤如下：
(1)目标辐射经光纤导入，经过入射狭缝后，入射到平面折转镜A，经过光路折转，入射到平面折转镜B上，再经平面折转镜B折转，入射到离轴抛物面镜上，经离轴抛物面镜准直后，入射到中阶梯光栅上，进行第一次色散；
(2)经中阶梯光栅色散后的衍射光，入射到平面反射镜上，经平面反射镜反射后原路返回的衍射光再次入射到中阶梯光栅上，进行第二次色散；
(3)经中阶梯光栅色散后的衍射光，出射到离轴抛物面镜，经离轴抛物面镜反射后的出射光经平面折转镜B和平面折转镜A后抵达屋脊回向反射器，即完成两次完整的色散分光；
(4)经过屋脊回向反射器反射后，出射光再次入射到平面折转镜A上，经平面折转镜A光路折转后，入射到平面折转镜B上，再经平面折转镜B折转后，入射到离轴抛物面镜上，经离轴抛物面镜准直后，入射到中阶梯光栅上，进行第三次色散；
(5)经中阶梯光栅色散后的衍射光，入射到平面反射镜上，经平面反射镜反射后原路返回的衍射光再次入射到中阶梯光栅上，进行第四次色散；
(6)经中阶梯光栅色散后的衍射光，出射到离轴抛物面镜，经离轴抛物面镜反射后的出射光经平面折转镜B和平面折转镜A后抵达柱面镜A，经柱面镜A反射后入射到柱面镜B，经过柱面镜A和柱面镜B，将色散方向放大后中继成像到面阵探测器上，光谱窗口内的光分布在面阵探测器长度方向，获得超高光谱分辨率光谱。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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