專利名稱：一種折反式光柵棱鏡組合色散組件及設(shè)計(jì)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光譜成像技術(shù)中的光學(xué)組件、系統(tǒng)，具體是指一種折反式光柵棱鏡組合色散組件及設(shè)計(jì)方法。
背景技術(shù)：
成像光譜儀是用來進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)識(shí)別和物質(zhì)成分分析的主要儀器之一。它可以同時(shí)獲取目標(biāo)的幾何特征分布和光譜特征信息，在地質(zhì)勘查、環(huán)境監(jiān)測(cè)、農(nóng)林經(jīng)濟(jì)和科學(xué)研究等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。成像光譜儀的分光功能由分光器件實(shí)現(xiàn)。色散型成像光譜儀的分光器件有棱鏡、光柵、棱鏡-光柵組合。棱鏡和光柵，具有各自的優(yōu)缺點(diǎn)，而采用棱鏡和光柵組合往往兼具二者優(yōu)點(diǎn)。1992年芬蘭Mauri Aikio在專利W09321M8A1中公開了一種棱鏡-光柵-棱鏡色散器件，其光柵為透射式全息體相位光柵，具有直視性。之后，蘇州大學(xué)在專利 200810156858. 1中也公開了一種棱鏡-光柵-棱鏡色散器件，兩者均采用了透射光柵，形成透射式直射形的光路構(gòu)形。上述器件具備以下幾方面的不足1)由于材料和制作工藝的特點(diǎn)，其性能穩(wěn)定性不如反射式平面光柵可靠，并且透過譜段限制較大，特別是用于紅外分光的低刻線數(shù)透射光柵制造困難；幻直視性的光路構(gòu)型，適應(yīng)不了航空航天成像光譜儀器對(duì)構(gòu)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，基本上需要定制，造成系統(tǒng)價(jià)格昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題是基于上述已有技術(shù)存在的一些不足，本發(fā)明的目的是提供一種折反式光柵棱鏡組合色散組件及設(shè)計(jì)方法，以實(shí)現(xiàn)低光譜彎曲的分光功能的同時(shí)，方便地實(shí)現(xiàn)不同譜段的分光及靈活的光機(jī)布局，滿足緊湊型、高性價(jià)比成像光譜儀的研制要求。直視型成像光譜儀的光路示意如圖1所示，整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)由成像鏡1、準(zhǔn)直鏡2、色散組件3、會(huì)聚鏡4、探測(cè)器5。本發(fā)明如圖2、圖3示意，來自物方的光束由成像鏡1成像于線陣狹縫上，通過線陣狹縫的光由準(zhǔn)直鏡2準(zhǔn)直后依次進(jìn)入色散組件3的棱鏡301和反射光柵302分光，分光后的光束由會(huì)聚鏡4會(huì)聚至探測(cè)器5上，獲得目標(biāo)的光譜圖像。其中色散組件由棱鏡301及反射光柵302組成，形成折反射式的分光結(jié)構(gòu)，利用光柵色散時(shí)線陣狹縫譜線朝長(zhǎng)波方向而棱鏡色散時(shí)譜線朝短波方向彎曲的特性，實(shí)現(xiàn)低光譜彎曲的分光功能。其設(shè)計(jì)步驟如下1)首先根據(jù)光柵方程，由所需的光譜范圍\γ \ 2，會(huì)聚鏡焦距f，光譜維的長(zhǎng)度 L確定光柵的角色散，從而確定光柵的光柵常數(shù)；2)將線陣狹縫長(zhǎng)度、光柵常數(shù)、棱鏡材料在光學(xué)軟件中建模，將光譜彎曲量作為評(píng)價(jià)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化，從而得到棱鏡的楔角Θ。并由此確定了色散組件的光學(xué)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。由此，完成對(duì)組合色散組件的主要參數(shù)的設(shè)計(jì)。
所述的反射光柵302及棱鏡301即可是分立的，也可組合成棱柵6 ；反射光柵302 可以通過控制入射光角度，靈活實(shí)現(xiàn)構(gòu)形布局，滿足具體結(jié)構(gòu)要求。所述的棱鏡301，為滿足光路布局，即可為單個(gè)棱鏡，又可為多個(gè)棱鏡組合。本發(fā)明色散組件的優(yōu)點(diǎn)是1.系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，方便構(gòu)型布局；2.色散組件采用光柵棱鏡組合，可獲得線性色散光譜，亦有利于校正光譜彎曲； 采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(jià)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(jù)光路靈活設(shè)計(jì)；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(jù)需要，適用于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(zhǔn)直鏡；3為色散組件；4為會(huì)聚鏡；5為探測(cè)器。圖2為分立式折反射棱鏡光柵組合分光的成像光譜儀光路示意圖，圖中301 為棱鏡；302為反射光柵；θ為棱鏡301的楔角。圖3為棱柵分光的成像光譜儀光路示意圖，圖中601為棱柵的入射面；602為反射光柵；603為棱柵的出射面；θ為棱鏡棱柵出射面603的楔角。
具體實(shí)施例方式現(xiàn)結(jié)合圖2、圖3的結(jié)構(gòu)示意圖，來說明本發(fā)明的實(shí)施方式，而不是限制本發(fā)明的適用范圍。針對(duì)相同如下技術(shù)指標(biāo)的光譜成像系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了圖2和圖3的色散組件。光譜成像系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)光譜范圍450 IOOOnm,狹縫長(zhǎng)度-J.68mm,光譜寬度3.84mm,分光系統(tǒng)物方數(shù)值孔徑0. 15，分光系統(tǒng)放大率為1 1，狹縫彎曲<5 μ m。
設(shè)計(jì)結(jié)果圖2中棱鏡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?？叹€數(shù)為1171/mm。圖3中棱柵6為石英材料，其楔角θ為8. 31° ；棱柵的反射面為反射光柵602，其刻光柵常線數(shù)為1171/mm。
權(quán)利要求
1.一種折反式光柵棱鏡組合色散組件，其特征在于色散組件(3)由棱鏡(301)及反射光柵(302)組成，形成折反射式的分光結(jié)構(gòu)；來自物方的光束由成像鏡(1)成像于線陣狹縫上，通過線陣狹縫的光由準(zhǔn)直鏡( 準(zhǔn)直后依次進(jìn)入色散組件(3)的棱鏡(301)和反射光柵(30 分光，分光后的光束由會(huì)聚鏡(4)會(huì)聚至探測(cè)器(5)上，獲得目標(biāo)的光譜圖像。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種折反式光柵棱鏡組合色散組件，其特征在于所述的反射光柵(30 及棱鏡(301)是分立的，或者如棱柵(6)是組合在一起的。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種折反式光柵棱鏡組合色散組件，其特征在于所述的棱鏡(301)為多個(gè)棱鏡組合。
4.一種如權(quán)利要求1所述結(jié)構(gòu)的色散組件的設(shè)計(jì)方法，其特征在于包括以下步驟1)首先根據(jù)光柵方程，由所需的光譜范圍X1 λ2，會(huì)聚鏡焦距f，光譜維的長(zhǎng)度L確定光柵的角色散，從而確定光柵的光柵常數(shù)；2)將線陣狹縫長(zhǎng)度、光柵常數(shù)、棱鏡材料在光學(xué)軟件中建模，將光譜彎曲量作為評(píng)價(jià)函數(shù)，進(jìn)行優(yōu)化，從而得到棱鏡的楔角θ，并由此確定色散組件的光學(xué)及結(jié)構(gòu)參數(shù)。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種折反式光柵棱鏡組合色散組件及設(shè)計(jì)方法。其特征在于色散組件由棱鏡及反射光柵組成，形成折反射式的分光結(jié)構(gòu)，不僅可以實(shí)現(xiàn)低光譜彎曲的分光功能，而且可以方便地實(shí)現(xiàn)不同譜段的分光及靈活的光機(jī)布局。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是譜段選擇靈活，光譜彎曲低，光學(xué)效率高，適應(yīng)緊湊型、高性價(jià)比成像光譜儀的研制要求。
文檔編號(hào)G01J3/18GK102375233SQ20111031722
公開日2012年3月14日 申請(qǐng)日期2011年10月18日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月18日
發(fā)明者何志平, 吳金才, 王建宇, 舒嶸, 袁立銀 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所