一种组件式透射式成像光谱仪的制作方法
【专利摘要】本发明提供一种组件式透射式成像光谱仪。该组件式透射式成像光谱仪由望远物镜、狭缝、准直物镜、透射式平面衍射光栅、成像物镜、CCD相机依次放置组成；望远物镜和准直物镜在同光轴上，且望远物镜和准直物镜的焦点都在狭缝上；狭缝垂直于光轴，且狭缝宽度方向与透射式平面衍射光栅的色散方向一致；透射式衍射光栅垂直于光轴；成像物镜与光轴的夹角设置为光栅衍射角；CCD相机的焦平面在成像物镜的焦点上。其全部组件使用通用光学组件，系统结构简单，在减少杂散光的影响的同时降低了装调难度和成本。
【专利说明】一种组件式透射式成像光谱仪
【技术领域】
[0001]本发明涉及成像光谱【技术领域】，具体涉及一种组件式透射式成像光谱仪。
【背景技术】
[0002]成像光谱技术是成像技术和光谱技术的有机结合，在获得目标二维空间信息的同时，也提供了目标的光谱信息，这为分析目标的属性提供了更好地依据。在农业、林业、水质监测、大气污染监测、生态环境监测、地质调查及城市调查等诸多领域都有着重要的应用和广泛的前景。近年来，伴随着光谱成像技术的飞速发展以及各国相关领域研究人员的重视，国内外已经研制成功并投入使用成像光谱仪种类繁多，性能各具特色，在各个领域崭露头角，结构也因应用场合的不同而特点各异，代表结构主要有Czerny-Turner系统和Offner系统。
[0003]中国专利申请201010585825.6公开了一种“宽波段平面光栅色散型成像光谱仪的光学装置”，该方案采用Czerny-Turner系统，以两块凹面反射镜分别作为准直物镜和成像物镜，以平面反射光栅作为分光器件构成光谱成像系统。但由于采用反射式光学器件，往往会受到漏光杂散光的影响，即部分光未按照所设定的光束限制直接进入光学系统，到达光栅的边缘形成二次衍射，这样经过二次衍射或者多次衍射使得其他波长的光重叠到仪器设定的出射波长的光束上去，增大了仪器的杂散光，为了减少杂散光的影响，通常需要设计复杂的光路结构；此外采用反射器件，使得该系统的光轴发生折转，从而给系统结构设计及装调带来困难。
[0004]崔继承等在《光谱学与光谱分析》[J].2012，32(3)发表的“成像光谱仪一体化设计” 一文中，阐述了以凸面光栅成像光谱仪，采用现有典型的Offner光路结构，核心是以凸面光栅作为色散元件，借助于两个同心凹面反射镜构成分光系统，能消除一定的像差，但是相对平面光栅而言，凸面光栅加工制作困难、价格昂贵，并且在对元件的半径及口径都有特殊要求的系统中，需要定制元件，限制了设计和装配的自由度，提高了整个系统的制造成本，通用性差；而且，该结构通过调整多个反射器件达到同心实现降低多种相差影响，这在实际装配时很难实现。
【发明内容】
[0005]本发明为解决反射式成像光谱系统容易产生杂散光和成像系统装调难度大等问题，本发明提供一种组件式透射式成像光谱仪，其全部组件使用通用光学组件，系统结构简单，在减少杂散光的影响的同时降低了装调难度和成本。
[0006]为了解决上述技术问题，本发明提供一种组件式透射式成像光谱仪，其特征在于，所述组件式透射式成像光谱仪由望远物镜、狭缝、准直物镜、透射式平面衍射光栅、成像物镜、CCD相机依次放置组成；望远物镜和准直物镜在同光轴上，且望远物镜和准直物镜的焦点都在狭缝上；狭缝垂直于光轴，且狭缝宽度方向与透射式平面衍射光栅的色散方向一致；透射式衍射光栅垂直于光轴；成像物镜与光轴的夹角设置为光栅衍射角；CCD相机的焦平面在成像物镜的焦点上。
[0007]本发明与现有技术相比，其显著优点在于:
[0008]本发明设置为透射式光路结构，减少了透射面残余反射杂散光以及多次衍射的影响，提高了光谱的纯度；本发明所使用的准直物镜、成像物镜及平面透射光栅均为普通元件、加工制作工艺比较成熟、无需定制，价格便宜，装调容易；本发明为组件式光学系统，对于望远物镜、准直物镜及成像物镜除满足一定的焦距外也没有特殊的限制，常用的相机镜头即可使用、不用定制，而且可以根据应用场合的需要进行更换，结构简单、装配和调试系统方便、通用性强，适用于应用场景多变光谱信息差异很大的场合，较传统成像光谱仪有更广的适用范围。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]图1是本发明组件式透射式成像光谱仪的结构示意图。
[0010]图2是使用本发明组件式透射式成像光谱仪测量的低压汞灯光谱图。
【具体实施方式】
[0011]如图1所示，本发明组件式透射式成像光谱仪由望远物镜1、狭缝2、准直物镜3、透射式平面衍射光栅4、成像物镜5、CXD相机6依次放置组成；其中，望远物镜I和准直物镜3在同光轴7上，且望远物镜I和准直物镜3的焦点都在狭缝2上；狭缝2垂直于光轴7，且狭缝2宽度方向与透射式平面衍射光栅4的色散方向一致；透射式衍射光栅4垂直于光轴7 ;成像物镜5与光轴7的夹角设置为光栅衍射角；CCD相机6的焦平面在成像物镜5的焦点上。
[0012]工作时，外部光源或者目标的反射光线经望远物镜I汇聚到狭缝2上，通过狭缝2的光经过准直物镜3准直后将变成平行光，当平行光垂直入射到透射式平面衍射光栅4上时，经过衍射分光后的光束到达成像物镜5，最后汇聚在CCD相机6上形成狭缝对应目标的光谱图像。
[0013]进一步，所述望远物镜I可以根据应用场合的不同选用不同类型的镜头，如采用焦距为50mm、光圈大小为1.4的相机镜头，或者为了大视场的需要采用焦距为25mm、光圈大小为1.2的相机镜头。
[0014]进一步,所述狭缝2的宽度为20um。
[0015]进一步，所述准直物镜3或成像物镜5均可以采用焦距为25mm、光圈为1.2的镜头。
[0016]进一步，所述透射式平面衍射光栅4的刻线密度为300线/毫米。
[0017]进一步，所述成像物镜5采用焦距为25mm、光圈大小为1.2的镜头。
[0018]进一步，所述CXD相机6的分辨率大小为1280*1024，像元大小为5um。
[0019]本发明经反复试验验证，取得了满意应用效果:
[0020]图2是使用本发明组件式透射式成像光谱仪测量的低压汞灯光谱图，可以看出，本发明成像光谱仪可以完全把577nm和579nm的谱线分开，因此可以近似地认为，在波长578nm处的光谱分辨率为2nm，说明本发明具有同样高的光谱分辨率。
【权利要求】
1.一种组件式透射式成像光谱仪，其特征在于，所述组件式透射式成像光谱仪由望远物镜(I)、狭缝(2 )、准直物镜(3 )、透射式平面衍射光栅(4 )、成像物镜(5 )、C⑶相机(6 )依次放置组成；其中， 所述望远物镜(I)和准直物镜(3 )在同光轴(7 )上，且望远物镜(I)和准直物镜(3 )的焦点都在狭缝(2)上； 所述狭缝(2)垂直于光轴(7)，且狭缝(2)宽度方向与透射式平面衍射光栅(4)的色散方向一致； 所述透射式衍射光栅(4)垂直于光轴(7)； 所述成像物镜(5)与光轴(7)的夹角设置为光栅衍射角； 所述C⑶相机(6)的焦平面在成像物镜(5)的焦点上。
2.如权利要求1所述的一种组件式透射式成像光谱仪，其特征在于，所述望远物镜(I)米用焦距为50mm、光圈大小为1.4的相机镜头。
3.如权利要求1所述的一种组件式透射式成像光谱仪，其特征在于，所述望远物镜(I)米用焦距为25mm、光圈大小为1.2的相机镜头。
4.如权利要求1所述的一种组件式透射式成像光谱仪，其特征在于，所述狭缝(2)的宽度为20um。
5.如权利要求1所述的一种组件式透射式成像光谱仪，其特征在于，所述准直物镜(3)采用焦距为25mm、光圈大小为1.2的镜头。
6.如权利要求1所述的一种组件式透射式成像光谱仪，其特征在于，所述透射式平面衍射光栅(4)的刻线密度为300线/毫米。
7.如权利要求1所述的一种组件式透射式成像光谱仪，其特征在于，所述成像物镜(5)采用焦距为25mm、光圈大小为1.2的镜头。
8.如权利要求1所述的一种组件式透射式成像光谱仪，其特征在于，所述C⑶相机(6)的分辨率大小为1280*1024，像元大小为5um。
【文档编号】G01J3/28GK103438999SQ201310393817
【公开日】2013年12月11日 申请日期:2013年9月2日 优先权日:2013年9月2日
【发明者】柏连发, 张毅, 岳江, 韩静, 孙宝朋, 陈钱, 顾国华, 吴经纬 申请人:南京理工大学