CN104502286A - 一种串联光栅色散成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

一种串联光栅色散成像光谱仪属于光谱技术领域，该光谱仪包括：狭缝、准直镜、平面光栅和凹面光栅；准直镜接收来自狭缝的出射光，并将该发散光进行反射准直；被准直的平行光束入射在平面光栅上，实现第一次色散；衍射的各波长的平行光束入射在凹面光栅上实现第二次色散和会聚，并入射在像面上，从而获得完善消除像差的成像光谱仪结构。本发明光学***组成元件简单，体积小；可实现对工作波段上的各个波长的像散的完善消除，从而获得优越的成像质量，容易实现；提高了发明***的光谱分辨能力，通过这种串联光栅的运用使得我们的发明设计具备极高的空间分辨率和光谱分辨率；此外，这种二次色散的能力还可以有效的抑制杂散光。

Description

一种串联光栅色散成像光谱仪

技术领域

本发明属于光谱技术领域，具体涉及一种串联光栅色散成像光谱仪。

背景技术

光栅成像光谱仪器在大气遥感领域，光谱样品分析和产品缺陷检测等多个研究方面具有不可或缺的作用。在空间探测中，通过探测大气中各种粒子的光谱辐射分布，可以反演计算出大气的各种粒子的含量和变化，实现对大气的监测和天气预报；在对样品(食物，化学药品等)和生产线工业产品进行分析和缺陷检测时，成像光谱仪器可以通过光谱和对实物的成像获得高精度的分析和缺陷检测，具有无法比拟的优越性。

Wadsworth光谱仪***在很早以前就得到了设计和应用，由于其对中心波长完善会聚，体积小，组成元件简单易装调的特点而得到了较多的使用。但是，传统Wadsworth光谱仪***的缺点也是显而易见的，就是除中心波长外，其他波长的像散随工作波段的扩展而逐渐增大，因此通常很少用于较宽波段的成像光谱仪***中。同时，由于凹面光栅自身原理的限制，Wadsworth光谱仪的光谱分辨率也很难做的较高。

发明内容

为了解决Wadsworth光谱仪的以上问题，设计了一种新型的串联光栅成像光谱仪***，通过增加平面光栅扩展色散***，使用串联光栅的方法，获得了在宽波段上空间分辨率和光谱分辨率俱优的结果。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种串联光栅色散成像光谱仪，该光谱仪包括：狭缝、准直镜、平面光栅和凹面光栅；准直镜接收来自狭缝的出射光，并将该发散光进行反射准直；被准直的平行光束入射在平面光栅上，实现第一次色散；衍射的各波长的平行光束入射在凹面光栅上实现第二次色散和会聚，并入射在像面上，从而获得完善消除像差的成像光谱仪结构。

本发明的有益效果是：本发明光学***组成元件简单，体积小；通过将平面光栅和凹面光栅进行特定位置的摆放即可实现对工作波段上的各个波长的像散的完善消除，从而获得优越的成像质量，而这种摆放的实现条件非常简单，容易实现；同时，由于色散元件的串联，使得各个波长均经过了二次衍射，提高了色散率，从而提高了发明***的光谱分辨能力，通过这种串联光栅的运用使得我们的发明设计具备极高的空间分辨率和光谱分辨率；此外，这种二次色散的能力还可以有效的抑制杂散光。

附图说明

图1本发明一种串联光栅色散成像光谱仪光路结构图；

图2本发明光路最优成像条件分析时的光程示意图；

图3本发明成像光谱仪分析串联光栅对各波长实现消像散条件的分析图；

图4本发明成像光谱仪的平面光栅和凹面光栅放置方法的设计图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，发明设计的成像光谱仪基于Wadsworth***，组成包括狭缝1、准直镜2、平面光栅3、凹面光栅4和像面5。整体体积为280mm×135mm×60mm，狭缝1长度7mm，宽度0.05mm，准直镜2曲率半径250mm，凹面光栅4曲率半径250mm，像面5宽度23.8mm。准直镜2接收来自狭缝1的出射光，并将该发散光进行反射准直；被准直的平行光束入射在平面光栅3上，实现第一次色散；衍射的各波长的平行光束入射在凹面光栅4上实现第二次色散和会聚，并入射在像面5上，从而获得完善消除像差的成像光谱仪结构。

如图2所示，其中，狭缝1位于准直镜2的焦点处，准直镜2为离轴抛物境，离轴抛物镜准直镜2的离轴角α通常不超过10°。对平面光栅3，其入射角和衍射角分别为i和θ。对于凹面光栅4，其入射角和衍射角分别为i’和θ’。狭缝1到准直镜2的距离为d₁，狭缝1需要放置在准直镜2的焦点上，故d₁取值为R₁/2，即准直镜2的曲率半径的一半；准直镜2到平面光栅3的距离为d₂，其取值可以根据光谱仪实际要求的体积进行选取，一般取值为R₁。平面光栅3到凹面光栅4的距离为d_G1G2，凹面光栅4到像面5的距离d_G2I，这两个距离是本发明的主要设计参数，决定了设计成像光谱仪***的光学性能。Wadsworth***的完善成像条件是：子午像点I_m和弧矢像点I_s可以会聚于同一点，即***的子午像距r_m和弧矢像距r_s会聚于同一点，表达式为：r_m＝r_s＝R₂(cosi'+1)^-1。R₂为凹面光栅的曲率半径。为了使经平面光栅3色散后的每个波长均满足这一条件，需要光谱仪***中的色散***和聚焦***均采用色散光栅，并通过合理的放置使得每个色散的波长均满足像散消除的最优条件。

本发明的一个最主要特征是平面光栅3和凹面光栅4的放置。对于平面光栅3，其入射光线物距为无穷远，色散后的中心波长与其法线重合，各波长的像距同样为无穷远，相当于已经满足子午像距和弧矢像距的会聚，同时其成像相当于凹面光栅4的物，其物距为无穷远；而优化后的平面光栅3和凹面光栅4的放置方法，使得对于凹面光栅4而言，经过平面光栅3色散后的各个波长在经过凹面光栅4后均与其局部法线重合，这样使得二次色散后的各波长均满足传统Wadsworth光谱仪像散消除的最优条件。

如图3所示，平面光栅3，凹面光栅4和像面5放置在合理的位置上即可实现视场内所有波长的消像散能力。根据Beutler等人的光栅理论，光栅对物成像的子午焦长和弧矢焦长满足：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_m={[\frac{\cos i+\cos \mathrm{\θ}}{R}-\frac{{\cos }^{2}i}{r}]}^{-1}\mathrm{co}{s}^2\mathrm{\θ}\\ r_s={[\frac{\cos i+\cos \mathrm{\θ}}{R}-\frac{1}{r}]}^{-1}\end{array}\right..$

由于准直镜的存在，入射在平面光栅3的光束为准直光，相当于物在无穷远处，这样，上式中对应的平面光栅3的物距r为∞，同时平面光栅3的曲率半径R为∞，经简化后可知对于平面光栅3，其像方的子午焦长和弧矢焦长均为∞，平面光栅3仅对入射光束进行了色散，满足消像散条件；而出射后的色散光束入射在凹面光栅4上，则相当于凹面光栅4将平面光栅3的像作为物进行二次色散和成像，在这个过程中，凹面光栅4的物在无穷远处，上式经简化后变为：

$\left\{\begin{array}{c}{r}_m={\left[\frac{\cos i+\cos \mathrm{\θ}}{R}\right]}^{-1}\mathrm{co}{s}^2\mathrm{\θ}\\ r_s={\left[\frac{\cos i+\cos \mathrm{\θ}}{R}\right]}^{-1}\end{array}\right..$

为了使凹面光栅4的子午像距和弧矢像距相等，需要上式中的光栅衍射角θ为0。这样我们就总结出串联光栅Wadsworth成像光谱仪消像散的完善成像条件为：经过平面光栅3色散后的每个波长在经过凹面光栅4的二次色散后，各二次衍射波长均沿着凹面光栅4局部法线出射，此时各波长的子午像距和弧矢像距相等。

根据以上分析，凹面光栅4到像面5的距离必须满足Wadsworth消像散条件：

$d_{G_{2}I}=R_2{(\cos i^{\′}+1)}^{-1}$

如图4所示，通过光程几何计算和微分分析得到发明中的成像光谱仪***中的光栅位置摆放。对两个不同的波长λ和λ’进行光程分析，其经平面光栅3色散后的衍射角分别为θ₁和θ₂，入射在凹面光栅4上的入射角分别为i₁’和i₂’，对应平面光栅3到凹面光栅4的距离分别为和对应凹面光栅(4)到像面(5)的距离分别为d_G2I和d_G2I’。两个波长在凹面光栅4上的入射点分别为B₁和B₂，A为两个波长在平面光栅3上的色散出射点，O为凹面光栅4的曲率中心。在向量三角形AB₁O和AB₂O中，存在如下关系：

$d_{G_1{G}_2}^2+R_2^2-{2d}_{G_1{G}_2}^d{R}_2\cos {i_1}^{\′}=d_{G_1{G}_2}^{\′2}+R_2-{{2d}^{\′}}_{G_1{G}_2}{R}_2{{\cos i}_2}^{\′}$

对上式进行微分，微分项为衍射角θ₁，则可获得下面的关系式：

$(d_{G_1{G}_2}-R_2\mathrm{co}{{\mathrm{si}}_1}^{\′})\frac{{\mathrm{dd}}_{G_1{G}_2}}{{\mathrm{d\θ}}_1}+d_{G_1{G}_2}{R}_2\sin {i_1}^{\′}\frac{{{\mathrm{di}}_1}^{\′}}{d{\mathrm{\θ}}_1}=0$

将凹面光栅4到像面5的最优距离代入上式可以得到如下的表达式：

$(d_{G_1{G}_2}-R_2\cos {i_1}^{\′})\frac{{\mathrm{dd}}_{G_1{G}_2}}{{\mathrm{d\θ}}_1}=0$

由于式中第二项不为0,所以得到平面光栅3和凹面光栅4之间的距离为 $d_{G_1{G}_2}=R_2{{\cos i}_1}^{\′}.$

当串联光栅Wadsworth成像光谱仪光学***中的平面光栅3和凹面光栅4以满足和的关系放置时，发明设计的成像光谱仪***将可以实现对工作波段内的各个波长完善消像散。

Claims (4)

1.一种串联光栅色散成像光谱仪，其特征在于，该光谱仪包括：狭缝(1)、准直镜(2)、平面光栅(3)和凹面光栅(4)；所述准直镜(2)接收来自狭缝(1)的出射光，并将该发散光进行反射准直；被准直的平行光束入射在平面光栅(3)上，实现第一次色散；衍射的各波长的平行光束入射在凹面光栅(4)上实现第二次色散和会聚，并入射在像面上，从而获得完善消除像差的成像光谱仪结构。

2.如权利要求1所述的一种串联光栅色散成像光谱仪，其特征在于，准直镜(2)为离轴抛物镜，且所述狭缝(1)放置在准直镜(2)的焦点上。

3.如权利要求1所述的一种串联光栅色散成像光谱仪，其特征在于，所述准直镜(2)的离轴角α通常不超过10°。

4.如权利要求1所述的一种串联光栅色散成像光谱仪，其特征在于，所述平面光栅(3)色散后的各个波长在经过凹面光栅(4)后均与其局部法线重合。