CN214173564U - 一种基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及闪电光谱成像仪，包括：闪电望远单元、分光单元、色散单元以及成像模组，光线依次通过闪电望远单元、分光单元以及色散单元照射至成像模组，所述色散单元包括：中阶梯光栅、反射棱镜以及成像物镜，经分光单元分成两路光线，每路光线依次通过中阶梯光栅、反射棱镜以及成像物镜，最后照射至成像模组。有益效果：同时获得两段光谱，可获得精细光谱且光谱成像仪结构简单精巧、小型化。

Description

一种基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪

技术领域

本发明涉及气象监测与光学光谱领域，尤其涉及一种基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪。

背景技术

在精细光谱的获取方面，基于光栅器件的仪器始终是一类重要的手段，尤其是近年来逐渐受到关注的中阶梯光栅光谱仪。国外对中阶梯光栅光谱仪的研究起步较早，从20世纪70年代，SchroderD.J.等人提出用于天文望远镜的中阶梯光栅光谱仪的光学设计现在，已经有LTB、Andor等公司的多个系列光谱仪产品，目前国外对中阶梯光栅光谱仪的研究主要集中于光谱仪在LIBS技术中的应用。而国内对中阶梯光栅光谱仪的研究仍处于起步阶段，唐玉国等对中阶梯光栅原理进行了分析，提出棱镜反射式交叉色散的光学设计；张玉峰等对中阶梯光栅参数与光谱仪性能参数进行分析，建立中阶梯光栅光谱仪光学设计参数模型；张尹馨等参考国外商用光谱仪，提出透射棱镜－中阶梯光栅交叉色散光学设计。但为了追求更高的光谱分辨率，光谱仪设计焦距均大于300mm，存在体积较大的缺陷、光谱单一以及光谱精度较低的问题。

发明内容

本发明目的在于克服现有技术中闪电光谱仪体积较大的缺陷、光谱单一以及光谱精度较低的问题，提供了一种基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪，具体由以下技术方案实现：

所述基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪，包括：闪电望远单元、分光单元、色散单元以及成像模组，光线依次通过闪电望远单元、分光单元以及色散单元照射至成像模组，所述色散单元包括：中阶梯光栅、反射棱镜以及成像物镜，经分光单元分成两路光线，每路光线依次通过中阶梯光栅、反射棱镜以及成像物镜，最后照射至成像模组。

所述基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪的进一步设计在于，所述闪电望远单元主要由物镜与准直镜组成，光线经物镜照射准直镜上。

所述基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪的进一步设计在于，所述分光单元为分光片。

所述基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪的进一步设计在于，所述分光片为半透射半反射镜片分出两束相同且相互垂直的光束，并相对于入射光45°设置。

所述基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪的进一步设计在于，所述成像模组为两个面阵CCD相机，每个面阵CCD相机分别对应一路光线。

所述基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪的进一步设计在于，所述成像模组还包括一柱面透镜，光线经所述柱面透镜后照射至面阵CCD相机。

本发明的优点如下：

(1)同时获得两段光谱。本发明内部结构分为两套独立的色散系统，突破了传统基于阶梯光栅的光谱仪在探测谱段中的限制，可以得到两段有效光谱。

(2)精细光谱的获得。由于中阶梯光栅拥有极高的光谱分辨率和大的光通量，配以高灵敏度的面阵CCD探测器，可以通过一次成像获取闪电过程的形态及精细光谱。

(3)结构简单精巧、小型化。C-T结构和Littrow光路均无运动部件，工艺要求低，结构紧凑，故障率低，维护成本低。

附图说明

图1为本发明的基本结构和等效光路图。

图2为本发明的单部分的等效光路图。

图3为本发明主要光学模块的工作流程。

其中，1为准直镜，2为分光片，3为反射棱镜a，4为成像物镜a，5为中阶梯光栅a，6为物镜，7为中阶梯光栅b，8为反射棱镜b，9为成像物镜b，10为柱面透镜b，11为面阵CCD相机b，12为面阵CCD相机a，13为柱面透镜a。箭头方向为光的传播方向。

具体实施方式

结合附图对本发明的闪电光谱成像仪进一步详细说明。

如图1，本实施例的闪电光谱成像仪的整体结构由闪电望远单元、分光单元、色散单元以及成像模组组成。其中，分光单元2即分光片是一个相对于入射光45°的半透射半反射镜片，可以分出两束相同且相互垂直的光束。其中透射的一束沿原光路方向传播，反射的一束垂直于原光路方向传播。物镜6为一个低倍凸透镜，目的是聚集光线，准直镜1、成像物镜a4和成像物镜b9为曲率半径相同的离轴抛物镜，同样起到聚焦光线的作用。

在色散光路中，除共用的准直镜1外，其余器件可分为功能相同的两部分，分别对应分光片分出的透射光和反射光。反射光路依次经过中阶梯光栅a5、为反射棱镜a3、成像物镜a4、为柱面透镜a13、面阵CCD相机a12；同时，透射光路依次经过中阶梯光栅b7、反射棱镜b8、成像物镜b9、柱面透镜b10、面阵CCD相机b11。

如图2，单部分(透射光路或反射光路)的等效光路图中，采用Littrow结构和C-T结构相结合的光路设计，充分利用Littrow结构高衍射效率和C-T结构低杂散光的优点，同时把交叉色散结构内置于C-T结构中，实现级次分离，并引入柱面透镜对系统相差进行消除。其中，以透射光路为例，由中阶梯光栅b7、反射棱镜b8、成像物镜b9、柱面透镜b10、面阵CCD相机b11组成。中阶梯光栅b7的入射角和转角均通过光栅方程结合预定的波谱范围决定。光束在中阶梯光栅b7处衍射后，经过反射棱镜b8的交叉色散，使入射单束光分解为二维光谱，按波长与级次的顺序由成像物镜b9聚集在面阵CCD相机b11上。在衍射过程中，主要色散元件是中阶梯光栅b7和色散棱镜，可以实现相互垂直方向的色散。同时，曲率半径相同的离轴抛物镜6和成像物镜b9共同起到准直和成像的作用，可以使各波段的光谱成像在面阵CCD上。下部分同理。

成像模块同样分为透射模块和反射模块各由一个柱面镜(柱面透镜a13或柱面透镜b10)和一个面阵CCD相机(面阵CCD相机a12或面阵CCD相机b11)组成。另外，引入柱面透镜a13或b10是为了对系统相差进行消除，进而提升成像精度。

如图3，在本发明主要光学模块的工作流程中，由于闪电常出现在阴天，背景较暗，与闪电辐射强度差异明显，因此将光谱仪中的常用的狭缝替换为物镜。由于传统的狭缝设置是为了获得线状光源，而闪电在经过望远系统聚焦后的像也几乎为线状形态，因此可取消狭缝的设置，直接用望远物镜6来代替。图像在经过物镜之后，成的是缩小的闪电形态的倒立实像。图3展示了A、B两处像面位置得到的实像。通过分光片分光之后，入射光线经过色散系统成像在CCD相机上，分解为不同波长的色光，达到获得闪电光谱的目的。

本实施例中阶梯光栅衍射原理如下：

将经过中阶梯光栅刻槽断面上一点的刻槽斜面与光栅决定的平面定义为中阶梯光栅的法平面。

若入射光位于法平面内，则衍射光也位于法平面内。此时若光以闪耀角入射，则衍射角等于入射角，即光栅工作于Littrow条件下时，光栅效率最高。但严格的Littrow条件将使光路难以合理安排，因此在实际应用中，常使入射光与光栅法面有一不为0的夹角γ，而入射光在法面上的投影为闪耀角，可称为“准Littrow条件”。准Littrow条件仍然可以达到最高的效率，并且有利于安排光路。

在准Littrow条件下的光栅方程为

d(sini+sinθ)cosγ＝mλ

其中，i为入射角，d为光栅常数

光谱仪采用C-T结构形式，其中准直镜和成像物镜为反射镜，为了减小彗差的影响，它们采用相同的光学结构，即具有相同的曲率半径。

在反射镜的选取上采用离轴抛物镜的结构形式，这是因为对于两个反射镜如果选用球面镜时，球差恒存在，同时使用时会造成球差相加，而用抛物镜代替球面镜可以消除球差的影响。彗差是非对称像差，它影响系统的分辨率，为了减小彗差对于光谱仪分辨率的影响可采用等光程消彗差的方法，Lindblom给出了C-T结构光学系统的消彗差公式:

式中ε为离轴角，R为子午面曲率半径，ρ为弧矢面曲率半径(下角标1和2分别对应准直镜和成像物镜)。对于准直镜和成像物镜的消像散，可使用下式来计算：

对中阶梯光栅，可以利用球面光栅的聚集方程，并使曲率半径趋向无穷：

由中阶梯光栅进行主方向的色散之后，为将重叠在一起的级次分开，需要由横向色散元件进行与主方向垂直的交叉色散，交叉色散元件选用棱镜。以R＝λ/dλ表示棱镜的波长分辨能力，则有：

由几何关系可得：

故有：

式中t为色散棱镜底边长。

由折反射定律，可得到梯形反射棱镜色散公式：

其中，Φ为光线入射棱镜的角度，r为棱镜出射光线的角度，α为棱镜的顶角。入射光经过两个方向的交叉色散之后即可形成二维光谱，由聚焦物镜聚焦在出缝的面阵CCD上。由于进行了两个方向的色散，整个系统的光路并不在同一平面上，因此各元件在仪器高度方向为错层分布。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (6)

1.一种基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪，其特征在于包括：闪电望远单元、分光单元、色散单元以及成像模组，光线依次通过闪电望远单元、分光单元以及色散单元照射至成像模组，所述色散单元包括：中阶梯光栅、反射棱镜以及成像物镜，经分光单元分成两路光线，每路光线依次通过中阶梯光栅、反射棱镜以及成像物镜，最后照射至成像模组。

2.根据权利要求1所述的基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪，其特征在于，所述闪电望远单元主要由物镜与准直镜组成，光线经物镜照射准直镜上。

3.根据权利要求1所述的基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪，其特征在于，所述分光单元为分光片。

4.根据权利要求3所述的基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪，其特征在于，所述分光片为半透射半反射镜片分出两束相同且相互垂直的光束，并相对于入射光45°设置。

5.根据权利要求1所述的基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪，其特征在于，所述成像模组为两个面阵CCD相机，每个面阵CCD相机分别对应一路光线。

6.根据权利要求5所述的基于阶梯光栅的闪电光谱成像仪，其特征在于，所述成像模组还包括一柱面透镜，光线经所述柱面透镜后照射至面阵CCD相机。

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