[发明专利]一种光栅色散成像光谱仪

说明书

本发明公开了一种光栅色散成像光谱仪，探测目标在狭缝处会聚成像，从狭缝出射的发散光经熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜、第二熔石英弯月透镜后入射在凹面光栅上，凹面光栅对光束进行色散和反射，反射的各衍射波长光经第二熔石英弯月透镜、第一熔石英弯月透镜和熔石英半球透镜后会聚成像在像面上。本申请利用像差理论对Dyson系统原来的厚半球透镜进行拆分，使得其变为本发明中的熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜和第二熔石英弯月透镜，实现了系统消除残余球差和色差的功能。本申请提供的设计系统结构紧凑、性能优越、简便易行，可有效的用于工程应用当中。

技术领域

本发明涉及成像光谱技术领域，特别是涉及一种光栅色散成像光谱仪。

背景技术

光栅成像光谱仪器在各类大气遥感、地物遥感和海洋遥感等研究领域具有不可或缺的作用。通过星载、机载和船载等各类平台，成像光谱仪可以对所要遥感的目标进行实时监测和分析，从而同时获得其二维成像细节和第三维光谱信息，进而通过对这些数据信息的分析实现相关的监测和预报能力，其高精度和大数据量具有无法比拟的优越性。

成像光谱仪的基本组成包括狭缝、准直系统、色散系统、聚焦系统和探测器系统。通常得到较多使用的光栅成像光谱仪系统包括：Czerny-Turner系统，单光栅罗兰圆系统，Wadsworth系统，Ebert-Fastie系统，Dyson系统和Offner系统等。其中Dyson成像光谱仪和Offner成像光谱仪属于同心类系统，在消像差和完善成像能力上相比其他成像光谱仪形式更具优势。

Dyson光谱仪系统在很早以前就得到了设计，其结构相比Offner系统更为紧凑，光学元件更易制作，且可工作在更高的数值孔径下。但是由于其过于紧凑的系统结构，使得狭缝、探测器和光学元件的光机结构极难放置，极易发生干涉，因此在实际工程应用上远远不及Offner系统。而如果增大狭缝、探测器和光学元件间的轴向和垂向距离，则Dyson系统的成像质量会快速下降，无法满足应用需求。

鉴于此，提供一种新型的基于Dyson成像光谱仪结构的光栅色散成像光谱仪是非常有必要的。

发明内容

本发明的目的是提供一种光栅色散成像光谱仪，以解决现有Dyson光谱仪系统狭缝、探测器和光学元件间的轴向和垂向距离有限的条件下、成像质量不能兼得的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种光栅色散成像光谱仪，包括：狭缝、熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜、第二熔石英弯月透镜、凹面光栅以及像面；所述熔石英半球透镜、所述第一熔石英弯月透镜、所述第二熔石英弯月透镜以及所述凹面光栅的曲率中心均位于系统的主轴上，所述狭缝偏离于所述主轴设置；

其中，探测目标在所述狭缝处会聚成像，从所述狭缝出射的发散光经所述熔石英半球透镜、所述第一熔石英弯月透镜、所述第二熔石英弯月透镜入射至所述凹面光栅上，经所述凹面光栅色散后的反射色散光束经所述第二熔石英弯月透镜、所述第一熔石英弯月透镜、所述熔石英半球透镜聚焦在所述像面上，在所述像面上成像以进行探测。

可选地，入射在所述像面上的中心主光线与所述主轴的夹角δ为0。

可选地，所述熔石英半球透镜的曲率半径与所述凹面光栅的曲率半径之间的关系满足：

其中，d为所述狭缝距所述主轴的垂轴距离，R₁为所述熔石英半球透镜的曲率半径，R_g为所述凹面光栅的曲率半径，g为所述凹面光栅的刻线密度，n为熔石英的折射率，λ为波长。

可选地，所述狭缝的长度为13mm，宽度为0.039mm。

可选地，所述熔石英半球透镜的曲率半径为59.4mm，所述曲面光栅的曲率半径为200mm，光栅刻线密度为83l/mm，所述狭缝距所述主轴的垂直距离为10mm。