一種折反式光柵稜鏡組合色散組件及設計方法
2023-10-28 03:39:57 1
專利名稱：一種折反式光柵稜鏡組合色散組件及設計方法
技術領域：
本發明涉及光譜成像技術中的光學組件、系統，具體是指一種折反式光柵稜鏡組合色散組件及設計方法。
背景技術：
成像光譜儀是用來進行目標探測識別和物質成分分析的主要儀器之一。它可以同時獲取目標的幾何特徵分布和光譜特徵信息，在地質勘查、環境監測、農林經濟和科學研究等領域應用廣泛。成像光譜儀的分光功能由分光器件實現。色散型成像光譜儀的分光器件有稜鏡、光柵、稜鏡-光柵組合。稜鏡和光柵，具有各自的優缺點，而採用稜鏡和光柵組合往往兼具二者優點。1992年芬蘭Mauri Aikio在專利W09321M8A1中公開了一種稜鏡-光柵-稜鏡色散器件，其光柵為透射式全息體相位光柵，具有直視性。之後，蘇州大學在專利 200810156858. 1中也公開了一種稜鏡-光柵-稜鏡色散器件，兩者均採用了透射光柵，形成透射式直射形的光路構形。上述器件具備以下幾方面的不足1)由於材料和製作工藝的特點，其性能穩定性不如反射式平面光柵可靠，並且透過譜段限制較大，特別是用於紅外分光的低刻線數透射光柵製造困難；幻直視性的光路構型，適應不了航空航天成像光譜儀器對構型布局的具體要求；3)透射光柵與反射光柵相比，可供選擇的種類較少，基本上需要定製，造成系統價格昂貴。
發明內容
本發明的技術解決問題是基於上述已有技術存在的一些不足，本發明的目的是提供一種折反式光柵稜鏡組合色散組件及設計方法，以實現低光譜彎曲的分光功能的同時，方便地實現不同譜段的分光及靈活的光機布局，滿足緊湊型、高性價比成像光譜儀的研製要求。直視型成像光譜儀的光路示意如圖1所示，整個光學系統由成像鏡1、準直鏡2、色散組件3、會聚鏡4、探測器5。本發明如圖2、圖3示意，來自物方的光束由成像鏡1成像於線陣狹縫上，通過線陣狹縫的光由準直鏡2準直後依次進入色散組件3的稜鏡301和反射光柵302分光，分光後的光束由會聚鏡4會聚至探測器5上，獲得目標的光譜圖像。其中色散組件由稜鏡301及反射光柵302組成，形成折反射式的分光結構，利用光柵色散時線陣狹縫譜線朝長波方向而稜鏡色散時譜線朝短波方向彎曲的特性，實現低光譜彎曲的分光功能。其設計步驟如下1)首先根據光柵方程，由所需的光譜範圍\γ \ 2，會聚鏡焦距f，光譜維的長度 L確定光柵的角色散，從而確定光柵的光柵常數；2)將線陣狹縫長度、光柵常數、稜鏡材料在光學軟體中建模，將光譜彎曲量作為評價函數，進行優化，從而得到稜鏡的楔角Θ。並由此確定了色散組件的光學及結構參數。由此，完成對組合色散組件的主要參數的設計。
所述的反射光柵302及稜鏡301即可是分立的，也可組合成稜柵6 ；反射光柵302 可以通過控制入射光角度，靈活實現構形布局，滿足具體結構要求。所述的稜鏡301，為滿足光路布局，即可為單個稜鏡，又可為多個稜鏡組合。本發明色散組件的優點是1.系統結構緊湊，方便構型布局；2.色散組件採用光柵稜鏡組合，可獲得線性色散光譜，亦有利於校正光譜彎曲； 採用平面閃耀反射光柵，能得到較高的衍射效率，獲取渠道暢通，價格便宜。4.色散組件中的反射式平面光柵的放置角度可根據光路靈活設計；5.色散組件中使用反射式平面光柵，不受光柵材料的限制，可根據需要，適用於從紫外到紅外波段的光譜分光；
圖1為成像光譜儀光路示意圖，圖中1為成像鏡；2為準直鏡；3為色散組件；4為會聚鏡；5為探測器。圖2為分立式折反射稜鏡光柵組合分光的成像光譜儀光路示意圖，圖中301 為稜鏡；302為反射光柵；θ為稜鏡301的楔角。圖3為稜柵分光的成像光譜儀光路示意圖，圖中601為稜柵的入射面；602為反射光柵；603為稜柵的出射面；θ為稜鏡稜柵出射面603的楔角。
具體實施例方式現結合圖2、圖3的結構示意圖，來說明本發明的實施方式，而不是限制本發明的適用範圍。針對相同如下技術指標的光譜成像系統，設計了圖2和圖3的色散組件。光譜成像系統技術指標光譜範圍450 IOOOnm,狹縫長度-J.68mm,光譜寬度3.84mm,分光系統物方數值孔徑0. 15，分光系統放大率為1 1，狹縫彎曲<5 μ m。
設計結果圖2中稜鏡301為石英材料，其楔角θ為8. 31° ；反射光柵302為石英材料，其光柵常刻線數為1171/mm。圖3中稜柵6為石英材料，其楔角θ為8. 31° ；稜柵的反射面為反射光柵602，其刻光柵常線數為1171/mm。
權利要求
1.一種折反式光柵稜鏡組合色散組件，其特徵在於色散組件(3)由稜鏡(301)及反射光柵(302)組成，形成折反射式的分光結構；來自物方的光束由成像鏡(1)成像於線陣狹縫上，通過線陣狹縫的光由準直鏡( 準直後依次進入色散組件(3)的稜鏡(301)和反射光柵(30 分光，分光後的光束由會聚鏡(4)會聚至探測器(5)上，獲得目標的光譜圖像。
2.根據權利要求1所述的一種折反式光柵稜鏡組合色散組件，其特徵在於所述的反射光柵(30 及稜鏡(301)是分立的，或者如稜柵(6)是組合在一起的。
3.根據權利要求1所述的一種折反式光柵稜鏡組合色散組件，其特徵在於所述的稜鏡(301)為多個稜鏡組合。
4.一種如權利要求1所述結構的色散組件的設計方法，其特徵在於包括以下步驟1)首先根據光柵方程，由所需的光譜範圍X1 λ2，會聚鏡焦距f，光譜維的長度L確定光柵的角色散，從而確定光柵的光柵常數；2)將線陣狹縫長度、光柵常數、稜鏡材料在光學軟體中建模，將光譜彎曲量作為評價函數，進行優化，從而得到稜鏡的楔角θ，並由此確定色散組件的光學及結構參數。
全文摘要
本發明公開了一種折反式光柵稜鏡組合色散組件及設計方法。其特徵在於色散組件由稜鏡及反射光柵組成，形成折反射式的分光結構，不僅可以實現低光譜彎曲的分光功能，而且可以方便地實現不同譜段的分光及靈活的光機布局。本發明的優點是譜段選擇靈活，光譜彎曲低，光學效率高，適應緊湊型、高性價比成像光譜儀的研製要求。
文檔編號G01J3/18GK102375233SQ20111031722
公開日2012年3月14日 申請日期2011年10月18日 優先權日2011年10月18日
發明者何志平, 吳金才, 王建宇, 舒嶸, 袁立銀 申請人:中國科學院上海技術物理研究所