[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

说明书

本发明公开了一种波数线性色散光学系统的设计方法及成像光谱仪，包括构建光学系统，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；定义线性度评价系数RMS；通过调整棱镜顶角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；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；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。其利用物镜像差补偿波数线性，实现在不分离光栅和棱镜的情况下获得更高的波数线性，能量利用率高，适用范围广，成本低。

技术领域

本发明涉及光谱仪技术领域，具体涉及一种波数线性色散光学系统的设计方法及成像光谱仪。

背景技术

在谱域光学相干层析系统中，光谱仪系统实现波数的线性分布不仅可以显著降低图像的插值误差提高图像质量，而且可以提高系统的成像速度和灵敏度。在1990年Traub首次使用棱栅结构得到波数的近线性分布，但其线性度并不高。2007年Hu通过分离光栅和棱镜实现波数更高的线性分布，并将其引入谱域光学相干层析系统中。

目前，实现高的波数线性的光学方法，主要有三种：第一种是通过光栅棱镜组合的方式获得，其以光栅的槽密度、光栅与棱镜夹角、棱镜顶角、棱镜材料为变量优化实现波数的线性分布，然而，仅仅利用光栅与棱镜的组合分光实现波数线性分布，其缺点是获得高的线性分布必须使光栅与棱镜成一定夹角，这会增大系统的体积和装调难度；第二种方法是通过双光栅的组合分光，以光栅的槽密度、光栅间的夹角为变量优化实现波数的线性分布，然而，双光栅的组合分光会导致能量利用率过低；第三种方法是在棱镜光栅组合的基础上引入自由曲面实现波数更高的线性分布，然而，引入自由曲面将导致成本过高。

发明内容

本发明要解决的技术问题是现有的实现高的波数线性的光学系统，结构复杂，体积大，能量利用率低，成本高。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种波数线性色散光学系统的设计方法，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。

作为优选的，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。

作为优选的，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。

作为优选的，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。

作为优选的，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。

作为优选的，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。

作为优选的，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。

作为优选的，所述S2具体包括：