[发明专利]一种棱栅光谱仪光学系统及设计方法

说明书

本发明公开了一种棱栅光谱仪光学系统及设计方法，由视场光栏、准直镜、棱栅组件、转折镜、会聚镜、探测器窗口和滤光片组成。其中准直镜为自由曲面，棱栅组件是平面反射光栅和棱镜的组合，会聚镜是一个六片式透镜组，第一透镜的前表面为自由曲面。来自物方的光线从视场光栏出发，经准直镜反射后到达转折镜，再反射至棱栅组件，经其衍射后再经会聚镜会聚，再经探测器窗口和滤光片，最终到达像面。准直镜使用离轴自由曲面反射镜，以避免中心遮拦。采用自由曲面和棱栅组件，有利于紧凑体积和校正畸变。本发明的优点是：像差校正能力强，适合较小F数设计，畸变低，光路布局紧凑，易于装调。

技术领域

本发明涉及光学系统和光学设计，特别是指一种棱栅分光的光谱仪光学系统及其设计方法。

背景技术

成像光谱仪在航空航天、科研、民用等各个领域应用十分广泛。光学系统中的核心件是分光组件，该组件的技术方式种类多，其中色散型的光栅或棱镜占了绝大多数。常用的色散型分光件，有平面光栅、曲面光栅、棱镜、棱镜光栅组合件等等。在专利中，发明了一种棱镜-光栅-棱镜光谱仪，该结构已经应用在我国航空高分领域，本发明是对上述发明的升级和有益补充。

现有技术存在的主要问题是：光谱仪使用了同轴准直镜，导致系统有一定的中心遮拦，有效F数增大；系统F数约为3.5，对于小像元探测器，为提高信噪比，F数需要适当降低；棱镜-光栅-棱镜组件结构相对复杂，可以进一步简化。

发明内容

本发明的目的是弥补现有技术的不足，提供一种棱栅光谱仪光学系统及设计方法。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是：

图1是本发明的光谱仪光路示意图，光谱仪光学系统由视场光栏1、准直镜2、转折镜3、棱栅组件4、会聚镜5、探测器窗口6和滤光片7组成，其中，棱栅组件4由平面反射光栅4.1和棱镜4.2组成。

来自物方的光线从视场光栏1出发，经准直镜2反射后到达转折镜3，再反射至棱栅组件4，经其衍射后再经过会聚镜5会聚，经探测器窗口6和滤光片7，最终到达像面。

准直镜2使用单个凹反射镜以提高光学效率，使用离轴自由曲面以避免系统中心遮拦，也有利于提高光学效率。所述的准直镜2使用的自由曲面凹面反射镜，其面型是关于y轴对称的扩展多项式曲面。

棱栅组件4是一个平面反射光栅4.1和棱镜4.2的组合件，棱镜4.2放置在平面反射光栅4.1的前方或者后方均可以。为了装调方便，将棱镜4.2设计成直角棱镜，直角一侧的光学面法线与后方会聚镜5的光轴同轴。

会聚镜5是一个六片式透镜组，镜片材料是氟化钙、石英、高折射率低阿贝数玻璃、低折射率高阿贝数玻璃的组合。短波波段的玻璃可以选用是PK52、SF4和SILICA组合。为进一步校正畸变和像质，其第一透镜的前表面是一个自由曲面，其面型是关于y轴对称的扩展多项式曲面。为结构设计和装调方便，控制转折镜3、平面光栅4.1的角度以及棱镜4.2的楔角，将会聚镜5的光轴设计成与入射光光轴平行。

自由曲面镜件选用铝或者是玻璃作为基底材料，采用金刚石单点车削加抛光技术加工，采用CGH全息检测。

滤光片7是一个消二级光谱滤光片，分成两个区域，一个区域镀截止膜，前截止900nm之间的光谱，增透900nm至1700nm附近的光谱；另一个区域镀截止膜，前截止1500nm之间的光谱，增透1500nm附近至2500nm的光谱。

本发明中的光学系统设计方法是：根据系统的技术指标，计算初始参数，包括准直镜2和会聚镜5的焦距、平面反射光栅4.1的刻线数；透镜组建模；准直镜建模；系统建模，设置准直镜离轴，设置棱栅组件，设置准直镜和第一透镜前表面面型为自由曲面，控制准直镜后的出射光线的准直性、像质以及元件干涉等，优化。