專利名稱：一種折反式光柵棱鏡組合色散組件及設(shè)計方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜成像技術(shù)中的光學(xué)組件、系統(tǒng)，具體是指一種折反式光柵棱鏡組合色散組件及設(shè)計方法。
背景技術(shù)：
成像光譜儀是用來進行目標探測識別和物質(zhì)成分分析的主要儀器之一。它可以同時獲取目標的幾何特征分布和光譜特征信息，在地質(zhì)勘查、環(huán)境監(jiān)測、農(nóng)林經(jīng)濟和科學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。成像光譜儀的分光功能由分光器件實現(xiàn)。色散型成像光譜儀的分光器件有棱鏡、光柵、棱鏡-光柵組合。棱鏡和光柵，具有各自的優(yōu)缺點，而采用棱鏡和光柵組合往往兼具二者優(yōu)點。1992年芬蘭Mauri Aikio在專利W09321M8A1中公開了一種棱鏡-光柵-棱鏡色散器件，其光柵為透射式全息體相位光柵，具有直視性。之后，蘇州大學(xué)在專利 200810156858. 1中也公開了一種棱鏡-光柵-棱鏡色散器件，兩者均采用了透射光柵，形成透射式直射形的光路構(gòu)形。上述器件具備以下幾方面的不足1)由于材料和制作工藝的特點，其性能穩(wěn)定性不如反射式平面光柵可靠，并且透過譜段限制較大，特別是用于紅外分光的低刻線數(shù)透射光柵制造困難；幻直視性的光路構(gòu)型，適應(yīng)不了航空航天成像光譜儀器對構(gòu)型布局的具體要求；3)透射光柵與反射光柵相比，可供選擇的種類較少，基本上需要定制，造成系統(tǒng)價格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是基于上述已有技術(shù)存在的一些不足，本發(fā)明的目的是提供一種折反式光柵棱鏡組合色散組件及設(shè)計方法，以實現(xiàn)低光譜彎曲的分光功能的同時，方便地實現(xiàn)不同譜段的分光及靈活的光機布局，滿足緊湊型、高性價比成像光譜儀的研制要求。直視型成像光譜儀的光路示意如圖1所示，整個光學(xué)系統(tǒng)由成像鏡1、準直鏡2、色散組件3、會聚鏡4、探測器5。本發(fā)明如圖2、圖3示意，來自物方的光束由成像鏡1成像于線陣狹縫上，通過線陣狹縫的光由準直鏡2準直后依次進入色散組件3的棱鏡301和反射光柵302分光，分光后的光束由會聚鏡4會聚至探測器5上，獲得目標的光譜圖像。其中色散組件由棱鏡301及反射光柵302組成，形成折反射式的分光結(jié)構(gòu)，利用光柵色散時線陣狹縫譜線朝長波方向而棱鏡色散時譜線朝短波方向彎曲的特性，實現(xiàn)低光譜彎曲的分光功能。其設(shè)計步驟如下1)首先根據(jù)光柵方程，由所需的光譜范圍\γ \ 2，會聚鏡焦距f，光譜維的長度 L確定光柵的角色散，從而確定光柵的光柵常數(shù)；2)將線陣狹縫長度、光柵常數(shù)、棱鏡材料在光學(xué)軟件中建模，將光譜彎曲量作為評價函數(shù)，進行優(yōu)化，從而得到棱鏡的楔角Θ。并由此確定了色散組件的光學(xué)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。由此，完成對組合色散組件的主要參數(shù)的設(shè)計。
所述的反射光柵302及棱鏡301即可是分立的，也可組合成棱柵6 ；反射光柵302 可以通過控制入射光角度，靈活實現(xiàn)構(gòu)形布局，滿足具體結(jié)構(gòu)要求。所述的棱鏡301，為滿足光路布局，即可為單個棱鏡，又可為多個棱鏡組合。本發(fā)明色散組件的優(yōu)點是1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，方便構(gòu)型布局；2.色散組件采用光柵棱鏡組合，可獲得線性色散光譜，亦有利于校正光譜彎曲； 采用平面閃耀反射光柵，能得到較高的衍射效率，獲取渠道暢通，價格便宜。4.色散組件中的反射式平面光柵的放置角度可根據(jù)光路靈活設(shè)計；5.色散組件中使用反射式平面光柵，不受光柵材料的限制，可根據(jù)需要，適用于從紫外到紅外波段的光譜分光；


圖1為成像光譜儀光路示意圖，圖中1為成像鏡；2為準直鏡；3為色散組件；4為會聚鏡；5為探測器。圖2為分立式折反射棱鏡光柵組合分光的成像光譜儀光路示意圖，圖中301 為棱鏡；302為反射光柵；θ為棱鏡301的楔角。圖3為棱柵分光的成像光譜儀光路示意圖，圖中601為棱柵的入射面；602為反射光柵；603為棱柵的出射面；θ為棱鏡棱柵出射面603的楔角。
具體實施例方式現(xiàn)結(jié)合圖2、圖3的結(jié)構(gòu)示意圖，來說明本發(fā)明的實施方式，而不是限制本發(fā)明的適用范圍。針對相同如下技術(shù)指標的光譜成像系統(tǒng)，設(shè)計了圖2和圖3的色散組件。光譜成像系統(tǒng)技術(shù)指標光譜范圍450 IOOOnm,狹縫長度-J.68mm,光譜寬度3.84mm,分光系統(tǒng)物方數(shù)值孔徑0. 15，分光系統(tǒng)放大率為1 1，狹縫彎曲<5 μ m。
設(shè)計結(jié)果圖2中棱鏡301為石英材料，其楔角θ為8. 31° ；反射光柵302為石英材料，其光柵?？叹€數(shù)為1171/mm。圖3中棱柵6為石英材料，其楔角θ為8. 31° ；棱柵的反射面為反射光柵602，其刻光柵常線數(shù)為1171/mm。
權(quán)利要求
1.一種折反式光柵棱鏡組合色散組件，其特征在于色散組件(3)由棱鏡(301)及反射光柵(302)組成，形成折反射式的分光結(jié)構(gòu)；來自物方的光束由成像鏡(1)成像于線陣狹縫上，通過線陣狹縫的光由準直鏡( 準直后依次進入色散組件(3)的棱鏡(301)和反射光柵(30 分光，分光后的光束由會聚鏡(4)會聚至探測器(5)上，獲得目標的光譜圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種折反式光柵棱鏡組合色散組件，其特征在于所述的反射光柵(30 及棱鏡(301)是分立的，或者如棱柵(6)是組合在一起的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種折反式光柵棱鏡組合色散組件，其特征在于所述的棱鏡(301)為多個棱鏡組合。
4.一種如權(quán)利要求1所述結(jié)構(gòu)的色散組件的設(shè)計方法，其特征在于包括以下步驟1)首先根據(jù)光柵方程，由所需的光譜范圍X1 λ2，會聚鏡焦距f，光譜維的長度L確定光柵的角色散，從而確定光柵的光柵常數(shù)；2)將線陣狹縫長度、光柵常數(shù)、棱鏡材料在光學(xué)軟件中建模，將光譜彎曲量作為評價函數(shù)，進行優(yōu)化，從而得到棱鏡的楔角θ，并由此確定色散組件的光學(xué)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種折反式光柵棱鏡組合色散組件及設(shè)計方法。其特征在于色散組件由棱鏡及反射光柵組成，形成折反射式的分光結(jié)構(gòu)，不僅可以實現(xiàn)低光譜彎曲的分光功能，而且可以方便地實現(xiàn)不同譜段的分光及靈活的光機布局。本發(fā)明的優(yōu)點是譜段選擇靈活，光譜彎曲低，光學(xué)效率高，適應(yīng)緊湊型、高性價比成像光譜儀的研制要求。
文檔編號G01J3/18GK102375233SQ20111031722
公開日2012年3月14日 申請日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者何志平, 吳金才, 王建宇, 舒嶸, 袁立銀 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所