一種串聯光柵色散成像光譜儀的制作方法
【專利摘要】一種串聯光柵色散成像光譜儀屬于光譜【技術領域】，該光譜儀包括：狹縫、準直鏡、平面光柵和凹面光柵；準直鏡接收來自狹縫的出射光，并將該發散光進行反射準直；被準直的平行光束入射在平面光柵上，實現第一次色散；衍射的各波長的平行光束入射在凹面光柵上實現第二次色散和會聚，并入射在像面上，從而獲得完善消除像差的成像光譜儀結構。本發明光學系統組成元件簡單，體積小；可實現對工作波段上的各個波長的像散的完善消除，從而獲得優越的成像質量，容易實現；提高了發明系統的光譜分辨能力，通過這種串聯光柵的運用使得我們的發明設計具備極高的空間分辨率和光譜分辨率；此外，這種二次色散的能力還可以有效的抑制雜散光。
【專利說明】-種串聯光柵色散成像光譜儀
【技術領域】
[0001] 本發明屬于光譜【技術領域】，具體涉及一種串聯光柵色散成像光譜儀。
【背景技術】
[0002] 光柵成像光譜儀器在大氣遙感領域，光譜樣品分析和產品缺陷檢測等多個研究方 面具有不可或缺的作用。在空間探測中，通過探測大氣中各種粒子的光譜福射分布，可W反 演計算出大氣的各種粒子的含量和變化，實現對大氣的監測和天氣預報；在對樣品（食物， 化學藥品等）和生產線工業產品進行分析和缺陷檢測時，成像光譜儀器可W通過光譜和對 實物的成像獲得高精度的分析和缺陷檢測，具有無法比擬的優越性。
[0003] Wadsworth光譜儀系統在很早W前就得到了設計和應用，由于其對中也波長完善 會聚，體積小，組成元件簡單易裝調的特點而得到了較多的使用。但是，傳統Wadsworth光 譜儀系統的缺點也是顯而易見的，就是除中也波長外，其他波長的像散隨工作波段的擴展 而逐漸增大，因此通常很少用于較寬波段的成像光譜儀系統中。同時，由于凹面光柵自身原 理的限制，Wadsworth光譜儀的光譜分辨率也很難做的較高。
【發明內容】
[0004] 為了解決Wadsworth光譜儀的W上問題，設計了一種新型的串聯光柵成像光譜儀 系統，通過增加平面光柵擴展色散系統，使用串聯光柵的方法，獲得了在寬波段上空間分辨 率和光譜分辨率俱優的結果。
[0005] 本發明解決技術問題所采用的技術方案如下：
[0006] -種串聯光柵色散成像光譜儀，該光譜儀包括；狹縫、準直鏡、平面光柵和凹面光 柵；準直鏡接收來自狹縫的出射光，并將該發散光進行反射準直；被準直的平行光束入射 在平面光柵上，實現第一次色散；衍射的各波長的平行光束入射在凹面光柵上實現第二次 色散和會聚，并入射在像面上，從而獲得完善消除像差的成像光譜儀結構。
[0007] 本發明的有益效果是：本發明光學系統組成元件簡單，體積小；通過將平面光柵 和凹面光柵進行特定位置的擺放即可實現對工作波段上的各個波長的像散的完善消除，從 而獲得優越的成像質量，而該種擺放的實現條件非常簡單，容易實現；同時，由于色散元件 的串聯，使得各個波長均經過了二次衍射，提高了色散率，從而提高了發明系統的光譜分辨 能力，通過該種串聯光柵的運用使得我們的發明設計具備極高的空間分辨率和光譜分辨 率；此外，該種二次色散的能力還可W有效的抑制雜散光。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0008] 圖1本發明一種串聯光柵色散成像光譜儀光路結構圖；
[0009] 圖2本發明光路最優成像條件分析時的光程示意圖；
[0010] 圖3本發明成像光譜儀分析串聯光柵對各波長實現消像散條件的分析圖；
[0011] 圖4本發明成像光譜儀的平面光柵和凹面光柵放置方法的設計圖。
【具體實施方式】
[0012] 下面結合附圖和實施例對本發明做進一步詳細說明。
[0013] 如圖1所示，發明設計的成像光譜儀基于Wadsworth系統，組成包括狹縫1、準直鏡 2、平面光柵3、凹面光柵4和像面5。整體體積為280mmX135mmX60mm，狹縫1長度7mm，寬 度0. 05mm，準直鏡2曲率半徑250mm，凹面光柵4曲率半徑250mm，像面5寬度23. 8mm。準 直鏡2接收來自狹縫1的出射光，并將該發散光進行反射準直；被準直的平行光束入射在平 面光柵3上，實現第一次色散；衍射的各波長的平行光束入射在凹面光柵4上實現第二次色 散和會聚，并入射在像面5上，從而獲得完善消除像差的成像光譜儀結構。
[0014] 如圖2所示，其中，狹縫1位于準直鏡2的焦點處，準直鏡2為離軸拋物境，離軸拋 物鏡準直鏡2的離軸角a通常不超過10°。對平面光柵3,其入射角和衍射角分別為i和 0。對于凹面光柵4,其入射角和衍射角分別為i'和0 '。狹縫1到準直鏡2的距離為di， 狹縫1需要放置在準直鏡2的焦點上，故di取值為R 1/2,即準直鏡2的曲率半徑的一半；準 直鏡2到平面光柵3的距離為d2,其取值可W根據光譜儀實際要求的體積進行選取，一般取 值為Ri。平面光柵3到凹面光柵4的距離為屯1。2,凹面光柵4到像面5的距離屯21，該兩個 距離是本發明的主要設計參數，決定了設計成像光譜儀系統的光學性能。Wadsworth系統的 完善成像條件是：子午像點Im和弧矢像點L可W會聚于同一點，即系統的子午像距r。和弧 矢像距r,會聚于同一點，表達式為；rm=r,= R2(cosi'+iri。R2為凹面光柵的曲率半徑。 為了使經平面光柵3色散后的每個波長均滿足該一條件，需要光譜儀系統中的色散系統和 聚焦系統均采用色散光柵，并通過合理的放置使得每個色散的波長均滿足像散消除的最優 條件。
[0015] 本發明的一個最主要特征是平面光柵3和凹面光柵4的放置。對于平面光柵3,其 入射光線物距為無窮遠，色散后的中也波長與其法線重合，各波長的像距同樣為無窮遠，相 當于已經滿足子午像距和弧矢像距的會聚，同時其成像相當于凹面光柵4的物，其物距為 無窮遠；而優化后的平面光柵3和凹面光柵4的放置方法，使得對于凹面光柵4而言，經過 平面光柵3色散后的各個波長在經過凹面光柵4后均與其局部法線重合，該樣使得二次色 散后的各波長均滿足傳統Wadsworth光譜儀像散消除的最優條件。
[0016] 如圖3所示，平面光柵3,凹面光柵4和像面5放置在合理的位置上即可實現視場 內所有波長的消像散能力。根據Beutler等人的光柵理論，光柵對物成像的子午焦長和弧 矢焦長滿足：
[0017]
【權利要求】
1. 一種串聯光柵色散成像光譜儀，其特征在于，該光譜儀包括：狹縫（1)、準直鏡（2)、 平面光柵（3)和凹面光柵（4);所述準直鏡（2)接收來自狹縫（1)的出射光，并將該發散光 進行反射準直；被準直的平行光束入射在平面光柵（3)上，實現第一次色散；衍射的各波長 的平行光束入射在凹面光柵（4)上實現第二次色散和會聚，并入射在像面上，從而獲得完 善消除像差的成像光譜儀結構。
2. 如權利要求1所述的一種串聯光柵色散成像光譜儀，其特征在于，準直鏡（2)為離軸 拋物鏡，且所述狹縫（1)放置在準直鏡（2)的焦點上。
3. 如權利要求1所述的一種串聯光柵色散成像光譜儀，其特征在于，所述準直鏡（2)的 離軸角a通常不超過10°。
4. 如權利要求1所述的一種串聯光柵色散成像光譜儀，其特征在于，所述平面光柵（3) 色散后的各個波長在經過凹面光柵（4)后均與其局部法線重合。
【文檔編號】G01N21/25GK104502286SQ201410820920
【公開日】2015年4月8日 申請日期:2014年12月25日 優先權日:2014年12月25日
【發明者】于磊, 王淑榮, 林冠宇 申請人:中國科學院長春光學精密機械與物理研究所