一種次鏡改進(jìn)型成像光譜儀的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及成像光譜儀的技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種次鏡改進(jìn)型成像光譜儀。
【背景技術(shù)】
[0002]成像光譜儀主要包括色散型光譜儀和干涉型光譜儀。其中色散型包括棱鏡色散型和光柵色散型。干涉型包括空間調(diào)制型及時(shí)空聯(lián)合調(diào)制型。干涉型受制于穩(wěn)定性要求，精度要求和體積要求，未得到廣泛應(yīng)用。色散型光譜儀目前應(yīng)用較為常見(jiàn)，其中光柵色散型方案，存在較多缺點(diǎn)，在一定譜段范圍內(nèi)存在二級(jí)譜線重疊，衍射效率低，能量利用率低，制作成本高等。因此上述方案都不容易滿足大視場(chǎng)，小型化的成像光譜儀要求。棱鏡色散型主要利用不同波長(zhǎng)的光經(jīng)過(guò)同一色散棱鏡后偏折角不同，使得不同波長(zhǎng)色散開(kāi)不同的角度。常用色散棱鏡為平面或復(fù)合棱鏡，會(huì)引起較大的譜線彎曲和譜帶彎曲，且隨著視場(chǎng)的增大，彎曲很嚴(yán)重，，給后期數(shù)據(jù)處理帶來(lái)較大影響。
[0003]本發(fā)明采取的次鏡改進(jìn)型棱鏡色散方案，共設(shè)計(jì)三個(gè)牛角鏡，在兩臂上分別放入單個(gè)牛角鏡，次鏡位置放入一個(gè)牛角鏡，次鏡位置的牛角鏡同時(shí)起到色散和反射的作用。相同設(shè)計(jì)指標(biāo)，這種系統(tǒng)能夠獲得更大的視場(chǎng)和較高的光譜分辨率，且易實(shí)現(xiàn)體積小型化。在系統(tǒng)設(shè)計(jì)的過(guò)程中，通過(guò)軟件對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行了模擬，對(duì)最后設(shè)計(jì)結(jié)果進(jìn)行分析計(jì)算，此系統(tǒng)具有較小的譜線彎曲和譜帶彎曲，較高的光譜分辨率，較小的體積。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提出一種次鏡改進(jìn)型成像光譜儀的設(shè)計(jì)方法。該成像光譜儀由入射狹縫，三個(gè)牛角鏡，兩個(gè)反射鏡和像面組成。在實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)小型化的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了大視場(chǎng)寬譜段，高光譜分辨率，裝調(diào)簡(jiǎn)易化，后續(xù)數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)便化，相同設(shè)計(jì)指標(biāo)，該結(jié)構(gòu)有更好的成像質(zhì)量。
[0005]本發(fā)明采用的技術(shù)方案為:一種次鏡改進(jìn)型成像光譜儀，該成像光譜儀包括入射狹縫、第一牛角鏡、第一主反射鏡、第二牛角鏡、第三牛角鏡、第二主反射鏡和像面；其中，經(jīng)過(guò)入射狹縫的光束通過(guò)第一牛角鏡進(jìn)行色散，再經(jīng)第一主反射鏡反射，后經(jīng)第一牛角鏡透射，又一次色散，進(jìn)入第二牛角鏡，經(jīng)過(guò)第二牛角鏡后表面反射再折射，進(jìn)入第三牛角鏡進(jìn)行色散，經(jīng)由第二主反射鏡進(jìn)行反射，再經(jīng)過(guò)第三牛角鏡進(jìn)行色散成像到高光譜成像儀的像面位置處。
[0006]其中，成像光譜儀的入射狹縫長(zhǎng)度為50mm，色散寬度為5mm，光譜范圍為
0.95 μ m?2.5 μ m，物方數(shù)值孔徑角NA為0.12，為了與前置成像系統(tǒng)匹配，該成像光譜儀設(shè)計(jì)為物方遠(yuǎn)心光路。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是:
[0008](I)、本發(fā)明采用三個(gè)棱鏡，且每個(gè)棱鏡都實(shí)現(xiàn)兩次色散的功能，有效提高了色散寬度，提高光譜分辨率，且滿足系統(tǒng)小型化的需求。
[0009](2)、本發(fā)明三個(gè)牛角鏡采用相同的色散材料，且總體呈對(duì)稱結(jié)構(gòu)，有校的校正軸外大視場(chǎng)的像差。
[0010](3)、本發(fā)明采用的色散棱鏡兩面均為曲面，有效的校正譜線彎曲和譜帶彎曲，后期數(shù)據(jù)處理簡(jiǎn)單化。
[0011](4)、本發(fā)明兩個(gè)反射鏡的共軸，有利于裝調(diào)。
[0012](5)、相同指標(biāo)要求，與傳統(tǒng)系統(tǒng)相比，本發(fā)明長(zhǎng)度大幅減小，且成像質(zhì)量有了進(jìn)一步的提尚。
【附圖說(shuō)明】
[0013]圖1為本發(fā)明一種次鏡改進(jìn)型成像光譜儀的色散光路結(jié)構(gòu)圖；
[0014]其中，I為入射狹縫，2為第一牛角鏡，3為第一主反射鏡，4為第二牛角鏡，5為第三牛角鏡，6為第二主反射鏡，7為成像光譜儀的像面；
[0015]圖2為本發(fā)明實(shí)施例所提供的光學(xué)系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線圖，其中，圖2(a)、(b)、(c)分別為此光學(xué)系統(tǒng)分別在950nm、1800nm、2500nm幾種典型譜段的光學(xué)傳遞函數(shù)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】
[0016]下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明。
[0017]本發(fā)明采用的技術(shù)方案如圖1所示，圖1為本發(fā)明一種次鏡改進(jìn)型成像光譜儀的實(shí)施例所提供的光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖，是一套完整的光譜儀系統(tǒng)。此系統(tǒng)共包括三個(gè)牛角鏡，分別放置在兩臂和次鏡上，其中次鏡位置放置的牛角鏡需鍍內(nèi)反射膜，同時(shí)起到色散和反射的作用。具體的，光束由入射狹縫I進(jìn)入系統(tǒng)，通過(guò)第一牛角鏡2進(jìn)行色散，再經(jīng)第一主反射鏡3反射，后經(jīng)第一牛角鏡2透射，又一次色散，進(jìn)入第二牛角鏡4，經(jīng)過(guò)第二牛角鏡4后表面反射再折射，進(jìn)入第三牛角鏡5進(jìn)行色散，經(jīng)由第二主反射鏡6進(jìn)行反射，再經(jīng)過(guò)第三牛角鏡5進(jìn)行色散成像到成像光譜儀的像面7位置處。成像光譜儀的狹縫長(zhǎng)度為50mm，色散寬度為5mm，光譜范圍為0.95 μπι?2.5 μm，物方數(shù)值孔徑角NA為0.12，為了與前置成像系統(tǒng)匹配，光譜儀系統(tǒng)設(shè)計(jì)為物方遠(yuǎn)心光路。
[0018]圖2是本發(fā)明實(shí)施例所提供光學(xué)系統(tǒng)的典型波長(zhǎng)在全視場(chǎng)的傳遞函數(shù)，從圖中可以看出，各個(gè)波長(zhǎng)在耐奎斯特頻率以內(nèi)的成像質(zhì)量較接近衍射極限。通過(guò)光學(xué)軟件ZEMAX仿真得出圖2曲線，圖2(a)、(b)、(c)分別為此光學(xué)系統(tǒng)分別在950nm、1800nm、2500nm幾種典型譜段的光學(xué)傳遞函數(shù)曲線圖。注:圖中縱坐標(biāo)Modulus of the OTF為MTF調(diào)制傳遞函數(shù)值，橫坐標(biāo)Spatial Frequency in cycles per mm為空間頻率，單位為線對(duì)數(shù)/毫米，此系統(tǒng)截止頻率為了 211p/mm.。從圖中可看出所有譜段的MTF調(diào)制傳遞函數(shù)值均接近衍射極限，都大于0.6以上。
[0019]所提到的實(shí)施方式僅作為本發(fā)明技術(shù)方案的示例性說(shuō)明，而不應(yīng)解釋為對(duì)本發(fā)明的限制，任何對(duì)本發(fā)明進(jìn)行顯而易見(jiàn)的局部更改都應(yīng)視為本發(fā)明的替代方案。這種替代方案包括色散棱鏡放置臂上的不同位置，改變光學(xué)面的半徑，孔徑偏心或者棱鏡的傾斜角、元件間的空氣間隔和棱鏡的厚度以及所使用的光學(xué)材料等。這些更改和變化不脫離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)范圍。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種次鏡改進(jìn)型成像光譜儀，其特征在于:該成像光譜儀包括入射狹縫(1)、第一牛角鏡(2)、第一主反射鏡(3)、第二牛角鏡(4)、第三牛角鏡(5)、第二主反射鏡(6)和像面(7);其中，經(jīng)過(guò)入射狹縫(I)的光束通過(guò)第一牛角鏡(2)進(jìn)行色散，再經(jīng)第一主反射鏡(3)反射，后經(jīng)第一牛角鏡(2)透射，又一次色散，進(jìn)入第二牛角鏡(4)，經(jīng)過(guò)第二牛角鏡(4)后表面反射再折射，進(jìn)入第三牛角鏡(5)進(jìn)行色散，經(jīng)由第二主反射鏡(6)進(jìn)行反射，再經(jīng)過(guò)第三牛角鏡(5)進(jìn)行色散成像到高光譜成像儀的像面(7)位置處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種次鏡改進(jìn)型成像光譜儀，其特征在于:成像光譜儀的入射狹縫(I)長(zhǎng)度為50mm，色散寬度為5mm，光譜范圍為0.95 μ m?2.5 μ m，物方數(shù)值孔徑角NA為0.12，為了與前置成像系統(tǒng)匹配，該成像光譜儀設(shè)計(jì)為物方遠(yuǎn)心光路。
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種次鏡改進(jìn)型成像光譜儀，包括入射狹縫、第一牛角鏡、第一主反射鏡、第二牛角鏡、第三牛角鏡、第二主反射鏡和像面；經(jīng)過(guò)入射狹縫的光束通過(guò)第一牛角鏡進(jìn)行色散，再經(jīng)第一主反射鏡反射，后經(jīng)第一牛角鏡透射，又一次色散，進(jìn)入第二牛角鏡，經(jīng)過(guò)第二牛角鏡后表面反射再折射，進(jìn)入第三牛角鏡進(jìn)行色散，經(jīng)由第二主反射鏡進(jìn)行反射，再經(jīng)過(guò)第三牛角鏡進(jìn)行色散成像到高光譜成像儀的像面位置處。本發(fā)明有效的增加了色散寬度，提高了光譜分辨率，減小了系統(tǒng)體積，解決了大視場(chǎng)與小型化、高光譜分辨率的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題，同時(shí)能有效減小系統(tǒng)的譜線彎曲和譜帶彎曲，給后續(xù)數(shù)據(jù)處理提供方便。
【IPC分類】G01J3-28
【公開(kāi)號(hào)】CN104729711
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510172162
【發(fā)明人】馮蕾, 周錦松, 何曉英, 王欣, 李亞燦, 卜美霞, 張雪靜
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院光電研究院
【公開(kāi)日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年4月13日