[发明专利]波数线性色散光学系统的设计方法及成像光谱仪

权利要求书

1.一种波数线性色散光学系统的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、构建光学系统，所述光学系统包括依次设置的光栅、棱镜和物镜，所述光栅与棱镜贴合；其中，准直光经光栅和棱镜分光后获得不同波数的光线，不同波数的光线以不同角度进入物镜并在像面上成像；

S2、定义线性度评价系数RMS，其中，所述线性度评价系数RMS为工作波段等差波数在像面的位置间隔的均方根误差；

S3、令像面长度Y为定值，通过调整棱镜顶角α以使得线性度评价系数RMS取得最小值；当所述线性度评价系数RMS最小时，所述棱镜顶角为α₁；

S4、由棱镜顶角为α₁时等差波数在像面的位置间隔，获取物镜的畸变和垂轴色差的补偿量；

S5、根据物镜的畸变和垂轴色差的补偿量优化物镜，获得优化后的光学系统；

其中，所述S4和S5之间还包括：设计能够引入负畸变和垂轴色差的物镜；

所述S2具体包括：

S21、根据工作波段选取n个等差波数；

S22、设准直的光线到光栅的入射角为θ_in，衍射角为θ_d，光栅与棱镜的夹角为β，棱镜的顶角为α，光线入射到棱镜前后表面的入射角分别为θ₁、θ₃及相应的岀射角分别为θ₂、θ，棱镜的折射率为n(λ)，令中心波数在棱镜后表面的出射角为其岀射方向作为物镜的光轴方向，由几何关系、光栅方程和折射定律得到：

sinθ＝n(λ)sinθ₃， (2)

其中，d为光栅常数，λ＝2π/k为光波长，β＝θ₁-θ_d，θ₃＝α-θ₂；

S23、联立(1)(2)式，得到光线在棱镜后表面岀射角为:

物镜的焦距由近轴关系得到:

其中，Y为像面长度；为波数k_n光线进入物镜的视场角；为波数k₁光线进入物镜的视场角；

S24、定义线性度评价系数R_MS：

其中，为相邻波数像面间隔，为第i个波数在像面的y坐标，为等差波数在像面的平均间隔；

其中，所述S4中，物镜的畸变的补偿量

物镜的垂轴色差的补偿量

2.如权利要求1所述的波数线性色散光学系统的设计方法，其特征在于，

所述物镜包括依次设置的第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜和第三正透镜；通过提高轴外视场主光线在第三正透镜的入射高度和入射角度以产生负球差以引入负畸变。

3.如权利要求2所述的波数线性色散光学系统的设计方法，其特征在于，所述第三正透镜远离所述第二正透镜的一侧还设置有第二负透镜以校正场曲。

4.如权利要求3所述的波数线性色散光学系统的设计方法，其特征在于，所述第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第三正透镜和第二负透镜采用同种材料以引入垂轴色差。

5.如权利要求4所述的波数线性色散光学系统的设计方法，其特征在于，所述第一正透镜、第一负透镜、第二正透镜、第三正透镜和第二负透镜的折射率范围为1.5-2.3。

6.如权利要求4所述的波数线性色散光学系统的设计方法，其特征在于，所述S5包括：

通过改变物镜的曲率、相邻透镜间的间隔、透镜厚度和透镜材料，优化光学系统。

7.一种成像光谱仪，其特征在于，通过权利要求1-6任一项所述的波数线性色散光学系统的设计方法获得。