[发明专利]一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法

权利要求书

1.一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

S1、构建光谱仪：所述光谱仪包括依次设置的望远系统、光谱成像系统，望远系统将视场内的光会聚、准直，送入光谱成像系统进行光谱信息的分离以及探测；所述望远系统包括前置望远物镜、光阑和准直物镜，各个组成部件顺次摆放，所述光谱成像系统包括分光模块、聚焦成像透镜、滤光片以及光电探测器，各个组成部件顺次摆放，所述分光模块包括棱镜1、棱镜2、闪耀透射光栅以及反射镜1、反射镜2，各个组成部件顺次摆放；

S2、光学材料选择：依据光学材料选择准则，在光谱仪工作光谱范围内选择符合要求的玻璃材料；

S3、色散(PPG)结构优化：确定光栅衍射级数k、光栅常数d的值，在光谱仪中心波长光线偏转角为0、色散角Δ不小于设计值Δ₀的条件约束下，利用遍历循环算法优化得到选定光学材料下满足实际光谱仪色散角Δ以及中心波长光线偏转角δ(λ₀)设计指标的结构参数值，包括棱镜1第2折射面与竖直方向夹角β和光栅与竖直方向夹角γ；

S4、直视型共光轴设计：在色散结构优化的过程中，利用反射镜对光路进行直视型共光轴设计，得到满足符合直视型共光轴要求的反射镜空间位置值，包括反射镜1法线和反射镜2法线与竖直方向的夹角(φ₁,φ₂)，反射镜1中心位置高度h，反射镜1中心与光栅中心的水平距离l₁，反射镜2中心与反射镜1中心的水平距离l₂；

S5、光谱线性度验证：使用光谱线性度指标来评价光谱展开的均匀程度，经过优化设计后的色散结构如果不满足光谱线性度指标要求，返回步骤S2重新开始计算。

2.如权利要求1所述的直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，所述望远系统包括前置望远物镜、光阑和准直物镜，各个组成部件顺次摆放，其作用是将低辐射光强条件下望远物镜视场内的光会聚、准直，送入光谱成像系统，其中，望远物镜摄取视场内的光线；光阑消除杂散光；准直物镜将光线变成同心光束。

3.如权利要求1所述的直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，所述分光模块包括棱镜1、棱镜2、闪耀透射光栅以及反射镜1、反射镜2，各个组成部件顺次摆放，用于实现光谱的线性分离；其中棱镜1、棱镜2和闪耀透射光栅组成棱镜-棱镜-光栅PPG结构，用于补偿系统色散非线性以及增大系统光谱探测范围；反射镜1和反射镜2用于实现系统直视型共光轴设计；所述聚焦成像透镜用于平衡和校正各种像差到某一限度内，使得经过分光模块分解后的光谱中同一波长的光会聚到探测器的同一像元；所述滤光片用于滤除光栅衍射级数k级以外的衍射能量；所述光电探测器用于对分解后的光谱进行光电流转换。

4.如权利要求1-3任一项所述的直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，所述步骤S2所述玻璃材料的要求包括棱镜1材料n₁、棱镜2材料n₂以及闪耀透射光栅基底材料n₃，令n₂＝n₃。

5.如权利要求4所述的直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，其特征在于，所述步骤S2所述光学材料选择准则具体包括：为保证分光模块各色散元件棱镜1、棱镜2以及闪耀透射光栅处于共轴状态，以及利用棱镜和光栅实现光谱非线性补偿，按照光学材料选择准则需使得中心波长λ₀实现无偏折成像，并且棱镜和光栅单独作为色散元件时谱线弯曲相反、色散方向一致。