一種錐衍射裝架Offner型分光裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及光譜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種適用于短狹縫、寬色散范圍成像光譜儀的分光裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]上世紀(jì)80年代出現(xiàn)成像光譜技術(shù)，該技術(shù)融合光譜遙感和空間成像，極大地拓寬了人們?cè)诤教爝b感領(lǐng)域、農(nóng)林資源探測(cè)、礦物資源與地質(zhì)勘探、軍事偵測(cè)、生物醫(yī)療等方面的應(yīng)用范圍。成像光譜儀分光裝置結(jié)構(gòu)可分為色散型、干涉型等，其中，采用凸面光柵的Offner型分光裝置由于其優(yōu)良的成像質(zhì)量，引起了深入的研究，并得到廣泛應(yīng)用。
[0003]Offner型分光裝置由Offner型中繼系統(tǒng)發(fā)展而來。N.C.Das最早提出用凸球面全息光柵代替Offner型中繼系統(tǒng)的次鏡，從而開啟了對(duì)Offner型成像光譜儀的研究。同心對(duì)稱的結(jié)構(gòu)使得該分光裝置具有相對(duì)孔徑大、譜線彎曲和色畸變小、易于裝調(diào)等優(yōu)點(diǎn)。二十世紀(jì)末，F(xiàn)ischer和Chri sp先后提出改進(jìn)的Offner型成像光譜儀，之后，不少學(xué)者又進(jìn)一步發(fā)展和完善了這一結(jié)構(gòu)的理論。但該結(jié)構(gòu)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)在長(zhǎng)狹縫、窄色散范圍時(shí)容易獲得，而短狹縫、寬色散范圍的情況下卻不易得到最優(yōu)解。因此，為了解決這一問題，2000年Reininger提出了錐衍射裝架Offner型分光裝置的設(shè)想，直到2007年L.Lucke才給出該結(jié)構(gòu)的具體設(shè)計(jì)。這種結(jié)構(gòu)的分光裝置除了具有上述一般面內(nèi)衍射Offner型分光裝置的優(yōu)點(diǎn)，更適合于短狹縫、大色散范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了滿足成像光譜儀更廣泛的應(yīng)用需求，本發(fā)明的目的在于提供一種成像質(zhì)量良好、光譜分辨率高、結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工裝調(diào)，適用于短狹縫、寬色散范圍的新型錐衍射裝架Offner型分光裝置。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是提供一種錐衍射裝架Offner型分光裝置，它包括入射狹縫、凹球面反射鏡、凸球面光柵和像平面;其結(jié)構(gòu)為關(guān)于凹球面反射鏡和凸球面光柵它們的頂點(diǎn)所在的平面對(duì)稱;入射狹縫和像平面偏離凸球面光柵的頂點(diǎn)；凹球面反射鏡與凸球面光柵的曲率半徑之比為1.8:1?2.2:1。
[0006]在本發(fā)明中，凸球面光柵的入射光束和衍射光束所在的平面，與凸球面光柵的主截面所成夾角為α，且0°<α<180°。入射狹縫和像平面在空間上，關(guān)于凸球面光柵頂點(diǎn)和凹球面反射鏡頂點(diǎn)連線所在平面對(duì)稱。中心波長(zhǎng)成像光束在凸球面光柵上的入射角和衍射角相等。
[0007]所述分光裝置的狹縫長(zhǎng)度和色散寬度之比為1/30?I;分光裝置的F數(shù)的取值范圍為 2.5<F/#<5。
[0008]分光裝置中，凹球面反射鏡的曲率半徑Rl的取值范圍為-95mm<Rl<-80mm。凸球面光柵的曲率半徑R2的取值范圍為-40mm<R2<-55mm。凸球面光柵為直線型或曲線型等間距槽光柵。
[0009]—個(gè)優(yōu)選的方案是:凹球面反射鏡與凸球面光柵的曲率半徑之比為2:1。
[0010]本發(fā)明提供的錐衍射裝架Offner型分光裝置由一塊大凹面反射鏡和凸面光柵組成，兩者均為球面，同心共軸，凹面反射鏡和凸面光柵曲率半徑之比為1.8:1?2.2:1，滿足物、像方遠(yuǎn)心，適用于短狹縫、寬色散范圍。在本發(fā)明中，成像光束從入射狹縫進(jìn)入，經(jīng)凹球面反射鏡反射至凸球面光柵，經(jīng)凸球面光柵衍射的光束再次經(jīng)過凹球面反射鏡后，在像平面上形成色散的譜線。
[0011]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的特點(diǎn)是:該光學(xué)系統(tǒng)狹縫短、色散范圍相對(duì)寬;光學(xué)系統(tǒng)光譜分辨率高，總光學(xué)元件少，體積小，結(jié)構(gòu)緊湊，易于加工和裝調(diào)。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置的光路主視圖；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置的光路俯視圖；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置的光路左視圖；
圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)左視圖；
圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置的光線追跡點(diǎn)列圖；
圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置的能量集中度曲線；
圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。
[0013]圖中:1、凹球面反射鏡;2、凸球面光柵;3、像平面，3-1、3-2和3-3分別為不同波長(zhǎng)的色散像點(diǎn);4、入射光束主光線;5、6和7分別為不同波長(zhǎng)成像光束的像方主光線;8、與光柵刻線垂直的平面;9、凸球面光柵頂點(diǎn)；10、狹縫與像平面相對(duì)光柵頂點(diǎn)夾角；11、入射光束和出射光束與凸球面光柵頂點(diǎn)在Y方向的距離；12-1、出射光束與凸球面光柵頂點(diǎn)在X方向的距離;12-2、入射光束與凸球面光柵頂點(diǎn)在X方向的距離;13、入射狹縫。
【具體實(shí)施方式】
[0014]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步的描述。
[0015]實(shí)施例1
參見附圖1和附圖2，它們分別是本實(shí)施例提供的一種錐衍射裝架Of fner型分光裝置光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖和光路主視圖；錐衍射裝架Offner型分光分光裝置包括:入射狹縫13、凹面反射鏡1、凸球面光柵2以及像平面3;4是物方主光線，5、6和7是不同波長(zhǎng)成像光束的像方主光線。入射狹縫13的長(zhǎng)度方向和凸球面光柵2刻線方向均沿圖1所示X軸，垂直于紙面。成像光束由入射狹縫13進(jìn)入系統(tǒng)，在凹面反射鏡I上反射至凸球面光柵2，經(jīng)過凸球面光柵2衍射的光束再次經(jīng)過凹面反射鏡I，在像平面3上形成色散的譜線，分別為3-1、3-2和3-3。像平面3上的譜線沿Y方向色散，與入射狹縫13長(zhǎng)度方向和凸球面光柵2刻線方向垂直。凸球面光柵2與凹面反射鏡I共軸。凸球面光柵為直線型或曲線型等間距槽光柵，入射光柵的光束和光柵衍射的光束不在與光柵刻線垂直的平面內(nèi)。入射狹縫13和像平面3均位于XOY平面內(nèi)，入射光束主光線4與中心波長(zhǎng)出射光束主光線6位于XOZ平面內(nèi)。光柵入射角和衍射角YOZ面內(nèi)的投影角度相等。入射光束和出射光束在Y方向的離軸量用11表示。
[0016]參見附圖3，它是本實(shí)施例提供的分光裝置的光路俯視圖。由圖可以看出，入射狹縫13和像平面3關(guān)于凸球面光柵2頂點(diǎn)和凹面反射鏡I頂點(diǎn)連線所在平面，S卩YOZ面對(duì)稱。不同波長(zhǎng)成像光束的像方主光線5、6和7在該視圖下重合，并與入射光束主光線4平行。該平面內(nèi)光柵入射角與衍射角投影角度相等。12-1和12-2分別表示入射光束和出射光束在X方向與凸球面光柵頂點(diǎn)的距離。
[0017]參見附圖4和附圖5，它們分別是本實(shí)施例提供的分光裝置的光路和系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的左視圖。附圖4中，8為凸球面光柵2刻線所在平面，與之垂直的平面稱為光柵主截面。I為凹球面反射鏡，圖中所示為矩形，也可以為圓形，視實(shí)際工程需要。通過入射狹縫13射入光柵的光束4與光柵衍射的光束5、6和7均不在光柵主截面內(nèi)，為離面衍射，稱該結(jié)構(gòu)稱為錐衍射裝架Offner型分光裝置。附圖5是系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意左視圖，9為凸球面光柵2頂點(diǎn)，10為狹縫與像平面相對(duì)光柵頂點(diǎn)的夾角α，0° <α<180°。入射狹縫13和中心波長(zhǎng)光線色散像點(diǎn)3_2關(guān)于凸球面光柵頂點(diǎn)9對(duì)稱。
[0018]在本實(shí)施例中，參考圖2，所提供的錐衍射裝架Offner型分光裝置的F數(shù)為4，工作波段為 0.4μηι ?0.9μηι。
[0019]本實(shí)施例相關(guān)參數(shù)如下:探測(cè)器像元大小為25μπιΧ25μπι，有效像元數(shù)為20X400個(gè)。按照Offner型分光裝置1:1成像，入射狹縫13為一長(zhǎng)0.5mm、寬25μπι的矩形，像平面3光譜維色散寬度為10mm，空間維寬度等于狹縫長(zhǎng)度0.5mm。凹面反射鏡I的曲率半徑為90mm，凸球面光柵2的曲率半徑為45.7mm，光柵常數(shù)437Lp/mm，凹面反射鏡I和凸球面光柵2之間距離為44mm。入射光束和出射光束在Y方向的離軸11為6.5mm，在X方向的離軸量12-1和12-2均為14.5mm0
[0020]參見附圖6，它是本實(shí)施例所示的光學(xué)系統(tǒng)的光線追跡點(diǎn)列圖。圖中的方框表示探測(cè)器像元大小25μπιΧ25μπι，黑色圓圈表示艾里斑大小，從圖中可見，該結(jié)構(gòu)各波長(zhǎng)不同視場(chǎng)處的點(diǎn)列圖都能集中在艾里斑附近，接近衍射極限。
[0021]參見附圖7，它是本實(shí)施例所示的光學(xué)系統(tǒng)的能量集中度曲線，可以看出，分光裝置95%以上的能量集中在一個(gè)探測(cè)器像元內(nèi)。
[0022]參見附圖8，它是本實(shí)施例所示的光學(xué)系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，該分光裝置在探測(cè)器奈奎斯特頻率20Lp/mm處的調(diào)制傳遞函數(shù)大于0.9，幾乎達(dá)到衍射極限，成像質(zhì)量?jī)?yōu)良。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種錐衍射裝架OfTner型分光裝置，其特征在于:它包括入射狹縫(13)、凹球面反射鏡(I)、凸球面光柵(2)和像平面(3);其結(jié)構(gòu)為關(guān)于凹球面反射鏡(I)和凸球面光柵(2)它們的頂點(diǎn)所在的平面對(duì)稱;入射狹縫(13)和像平面(3)偏離凸球面光柵(2)的頂點(diǎn)；凹球面反射鏡(I)與凸球面光柵(2)的曲率半徑之比為1.8:1?2.2:1。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置，其特征在于:凸球面光柵的入射光束和衍射光束所在的平面，與凸球面光柵的主截面所成夾角為α，且0°<α<180。ο3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錐衍射裝架OfTner型分光裝置，其特征在于:入射狹縫和像平面在空間上，關(guān)于凸球面光柵頂點(diǎn)和凹球面反射鏡頂點(diǎn)連線所在平面對(duì)稱。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置，其特征在于:中心波長(zhǎng)成像光束在凸球面光柵上的入射角和衍射角相等。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錐衍射裝架OfTner型分光裝置，其特征在于:所述分光裝置的狹縫長(zhǎng)度和色散寬度之比為1/30?I。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錐衍射裝架OfTner型分光裝置，其特征在于:所述分光裝置F數(shù)的取值范圍為2.5 < F/# < 5。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置，其特征在于:凹面反射鏡的曲率半徑Rl的取值范圍為-95mm<Rl<-80mm。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置，其特征在于:凸球面光柵的曲率半徑R2的取值范圍為-40mm<R2<-55mm。9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置，其特征在于:凸球面光柵為直線型或曲線型等間距槽光柵。10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種錐衍射裝架Offner型分光裝置，其特征在于:凹球面反射鏡與凸球面光柵的曲率半徑之比為2:1。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種錐衍射裝架Offner型分光裝置，用于光譜探測(cè)。該光學(xué)系統(tǒng)采用全反射結(jié)構(gòu)，包括入射狹縫、凹球面反射鏡、凸球面光柵和像平面；其結(jié)構(gòu)為關(guān)于凹球面反射鏡和凸球面光柵它們的頂點(diǎn)所在的平面對(duì)稱；入射狹縫和像平面偏離凸球面光柵的頂點(diǎn)；凹球面反射鏡與凸球面光柵的曲率半徑之比為1.8∶1～2.2∶1。本發(fā)明采用的凹面反射鏡和凸面光柵均為球面，滿足同心對(duì)稱共軸條件，譜線彎曲畸變和梯形畸變小。分光裝置采用的是錐衍射裝架Offner型分光裝置，入射光柵的光束與光柵衍射光束均不在光柵主截面內(nèi)，入射狹縫和像平面在兩個(gè)方向上都存在離軸量，尤其適用于短狹縫、寬色散范圍的成像光譜儀的分光裝置。
【IPC分類】G01J3/28, G01J3/02
【公開號(hào)】CN105571713
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610123443
【發(fā)明人】潘俏, 沈?yàn)槊?
【申請(qǐng)人】蘇州大學(xué)
【公開日】2016年5月11日
【申請(qǐng)日】2016年3月6日