[发明专利]一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法

说明书

本发明涉及一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，属于光谱仪设计领域。本发明提出一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，采用棱镜对与闪耀透射光栅组成PPG结构分光模块，利用棱镜与闪耀透射光栅组合的二次色散特性，实现在补偿光谱成像系统色散非线性的同时增大了系统光谱探测范围。光谱仪系统采用直视型共光轴光路设计，使望远系统、光谱成像系统中心处于同一光轴，保证了中心波长光线垂直入射望远系统和垂直出射聚焦成像透镜直至光电探测器。采用上述共光轴光路设计，既改善了光谱非线性又降低了调试难度。

技术领域

本发明属于光谱仪设计领域，具体涉及一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法。

背景技术

光学光谱仪在各个领域有着不同的应用，色散型光谱仪由于结构简单，应用范围广，是国内外长期关注和研究的热点。色散型光谱仪一般由光阑、准直透镜、色散元件、聚焦透镜和探测器组成，其中色散元件是光谱仪的核心部件，应用最广泛的是光栅和棱镜光谱仪。光栅光谱仪利用光栅衍射分光，具有读取速度快、波长范围广的优点。棱镜色散光谱仪是基于斯涅尔定律，利用同一介质中不同单色光的光程差不同将光谱展开。与光栅光谱仪相比，棱镜光谱仪具有价格低、光谱无重叠、稳定性好等优点。

由于色散元件的使用，光谱仪系统产生的光谱均有谱线弯曲现象的存在，谱线弯曲引起的光谱偏离使得不同像元位置上的中心波长彼此产生偏差，每个像元的测量值会引入相邻光谱切片的信息，改变了原有的图谱信息，增加了光谱标定和校正的难度，极大的影响了光谱成像质量。且目前光谱仪大多采用复杂的折反式结构，装配调试过程会引入较大误差。因此，色散型光谱仪需要解决色散非线性以及装配调试困难的问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何提供一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，以解决色散非线性以及装配调试困难的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提出一种直视型宽光谱共光轴线性光谱仪设计方法，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。