[发明专利]一种变光谱分辨率光谱仪以及设计方法

说明书

本发明公开了一种变光谱分辨率光谱仪以及设计方法，在经典光谱仪结构的基础上改进设计，获得基于多块OAC光栅的变光谱分辨率光谱仪初始结构，极大地提高了设计效率；本发明以经典Offner型光谱仪为起点，仅需将其中凸面光栅替换为多块OAC光栅，其余元件微调，相比现有的变光谱分辨率光谱系统，此方法设计的系统结构更加轻量化、易装调；本发明采用多块OAC光栅代替经典光谱仪结构中的凸面光栅，OAC光栅的数量以及基本参数可根据使用者的需求设定，适用性广泛，且设计灵活简单；本发明所设计的光谱系统，拥有较高的光谱分辨率，且当增大探测器尺寸，变光谱分辨率比也随之增大。

技术领域

本发明涉及一种变光谱分辨率光谱仪以及设计方法，其可用于对多种复杂物体进行识别以及分类，属于光学设计技术领域。

背景技术

人们对光谱数据采集和处理的速度提出了更高的要求，另外大视场和高分辨率性能的提升也是制造商们一直追求的目标。由此，光谱成像系统将会产生巨大的图像数据立方体，这势必阻碍数据的处理和传输效率。然而，在实际应用中，只需要重点获取感兴趣区域的光谱信息，其余光谱信息不需要很高的分辨率，因此只需要对整个场景中(大视场范围内)感兴趣局部实现高分辨成像，其余视场以较低分辨率成像，即可满足系统使用要求，且能大大降低光谱数据立方体的存储和传输量。因此，迫切需要一种可变光谱分辨率的光谱成像技术满足上述需求。

现有利用数字微型反射镜阵列实现变光谱分辨率光谱仪的发明专利CN107655569A，其在狭缝处对光束进行调制，实现空间分辨率和光谱分辨率的调制，这种方式每次扫描只能获得一个调制状态下的光谱信息，即不能在一次扫描中获得不同光谱分辨率的光谱信息。并且这种方式受到数字微型反射镜阵列尺寸和材料的限制，光谱分辨率与空间分辨率都不能突破数字微型反射镜像元尺寸，并且不适用可见光以外的波段。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于多块离轴凸面(multiple off-axis convex，OAC)光栅的可变光谱分辨率光谱仪及设计方法，即用多块OAC光栅代替传统Offner结构中的凸面光栅，每一束光从OAC子光栅衍射后都会在像面形成一个子光谱图像，这些光谱图像的光谱分辨率根据OAC子光栅的参数的变化而不同，可实现一次扫描获得不同的光谱分辨率图谱信息。

一种变光谱分辨率光谱仪，基于Offner型光谱仪的结构，包括狭缝、主镜、凸面光栅、三镜以及像面，凸面光栅包括多块离轴凸面光栅，各离轴凸面光栅在像面上产生不同光谱分辨率且互相不重叠的子光谱图像。

较佳的，所述主镜和三镜在不同平面上。

较佳的，所述主镜和三镜具有不同曲率。

一种变光谱分辨率光谱仪的设计方法，包括：

步骤一，设计经典的Offner光谱系统，确定初始结构；

步骤二，取狭缝处任意一根光线进行光线追迹，推算凸面光栅的光栅密度与光线到达像面的坐标的关系；

步骤三，设计多块OAC光栅，用以替换步骤一中Offner光谱系统中的凸面光栅；根据步骤二中的推算结论，设计优化多块OAC光栅的基本参数，得到多块OAC光栅光谱仪初始系统结构，具体为：

S301、设置各OAC光栅的光栅密度和离轴偏心量，根据步骤一的推算结论，得到每个OAC光栅中心光线的入射角；

S302、根据波长范围和中心波长，计算得到每个OAC光栅中心光线在像面的坐标，由此得到每个OAC光栅衍射在像面上形成的子光谱图像宽度；

S303、判断是否满足如下条件：

所有OAC光栅的子光谱图像的宽度之和小于或等于像面的有效探测靶面尺寸，并且相邻OAC光栅的子光谱图像未有重叠；

如果满足上述条件，则此时OAC光栅的光栅密度和离轴偏心量满足要求，得到多块OAC光栅光谱仪初始系统结构；