一种锥衍射装架Offner型分光装置的制造方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及光谱技术领域，具体涉及一种适用于短狭缝、宽色散范围成像光谱仪的分光装置。
【背景技术】
[0002]上世纪80年代出现成像光谱技术，该技术融合光谱遥感和空间成像，极大地拓宽了人们在航天遥感领域、农林资源探测、矿物资源与地质勘探、军事侦测、生物医疗等方面的应用范围。成像光谱仪分光装置结构可分为色散型、干涉型等，其中，采用凸面光栅的Offner型分光装置由于其优良的成像质量，引起了深入的研究，并得到广泛应用。
[0003]Offner型分光装置由Offner型中继系统发展而来。N.C.Das最早提出用凸球面全息光栅代替Offner型中继系统的次镜，从而开启了对Offner型成像光谱仪的研究。同心对称的结构使得该分光装置具有相对孔径大、谱线弯曲和色畸变小、易于装调等优点。二十世纪末，Fischer和Chri sp先后提出改进的Offner型成像光谱仪，之后，不少学者又进一步发展和完善了这一结构的理论。但该结构的最优化设计在长狭缝、窄色散范围时容易获得，而短狭缝、宽色散范围的情况下却不易得到最优解。因此，为了解决这一问题，2000年Reininger提出了锥衍射装架Offner型分光装置的设想，直到2007年L.Lucke才给出该结构的具体设计。这种结构的分光装置除了具有上述一般面内衍射Offner型分光装置的优点，更适合于短狭缝、大色散范围。
【发明内容】
[0004]为了满足成像光谱仪更广泛的应用需求，本发明的目的在于提供一种成像质量良好、光谱分辨率高、结构紧凑、易于加工装调，适用于短狭缝、宽色散范围的新型锥衍射装架Offner型分光装置。
[0005]为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是提供一种锥衍射装架Offner型分光装置，它包括入射狭缝、凹球面反射镜、凸球面光栅和像平面;其结构为关于凹球面反射镜和凸球面光栅它们的顶点所在的平面对称;入射狭缝和像平面偏离凸球面光栅的顶点；凹球面反射镜与凸球面光栅的曲率半径之比为1.8:1?2.2:1。
[0006]在本发明中，凸球面光栅的入射光束和衍射光束所在的平面，与凸球面光栅的主截面所成夹角为α，且0°<α<180°。入射狭缝和像平面在空间上，关于凸球面光栅顶点和凹球面反射镜顶点连线所在平面对称。中心波长成像光束在凸球面光栅上的入射角和衍射角相等。
[0007]所述分光装置的狭缝长度和色散宽度之比为1/30?I;分光装置的F数的取值范围为 2.5<F/#<5。
[0008]分光装置中，凹球面反射镜的曲率半径Rl的取值范围为-95mm<Rl<-80mm。凸球面光栅的曲率半径R2的取值范围为-40mm<R2<-55mm。凸球面光栅为直线型或曲线型等间距槽光栅。
[0009]—个优选的方案是:凹球面反射镜与凸球面光栅的曲率半径之比为2:1。
[0010]本发明提供的锥衍射装架Offner型分光装置由一块大凹面反射镜和凸面光栅组成，两者均为球面，同心共轴，凹面反射镜和凸面光栅曲率半径之比为1.8:1?2.2:1，满足物、像方远心，适用于短狭缝、宽色散范围。在本发明中，成像光束从入射狭缝进入，经凹球面反射镜反射至凸球面光栅，经凸球面光栅衍射的光束再次经过凹球面反射镜后，在像平面上形成色散的谱线。
[0011]与现有技术相比，本发明的特点是:该光学系统狭缝短、色散范围相对宽;光学系统光谱分辨率高，总光学元件少，体积小，结构紧凑，易于加工和装调。
【附图说明】
[0012]图1是本发明实施例提供的一种锥衍射装架Offner型分光装置光学系统的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的一种锥衍射装架Offner型分光装置的光路主视图；
图3是本发明实施例提供的一种锥衍射装架Offner型分光装置的光路俯视图；
图4是本发明实施例提供的一种锥衍射装架Offner型分光装置的光路左视图；
图5是本发明实施例提供的一种锥衍射装架Offner型分光装置光学系统的结构左视图；
图6是本发明实施例提供的一种锥衍射装架Offner型分光装置的光线追迹点列图；
图7是本发明实施例提供的一种锥衍射装架Offner型分光装置的能量集中度曲线；
图8是本发明实施例提供的一种锥衍射装架Offner型分光装置的调制传递函数曲线。
[0013]图中:1、凹球面反射镜;2、凸球面光栅;3、像平面，3-1、3-2和3-3分别为不同波长的色散像点;4、入射光束主光线;5、6和7分别为不同波长成像光束的像方主光线;8、与光栅刻线垂直的平面;9、凸球面光栅顶点；10、狭缝与像平面相对光栅顶点夹角；11、入射光束和出射光束与凸球面光栅顶点在Y方向的距离；12-1、出射光束与凸球面光栅顶点在X方向的距离;12-2、入射光束与凸球面光栅顶点在X方向的距离;13、入射狭缝。
【具体实施方式】
[0014]下面结合附图和实施例，对本发明技术方案作进一步的描述。
[0015]实施例1
参见附图1和附图2，它们分别是本实施例提供的一种锥衍射装架Of fner型分光装置光学系统的结构示意图和光路主视图；锥衍射装架Offner型分光分光装置包括:入射狭缝13、凹面反射镜1、凸球面光栅2以及像平面3;4是物方主光线，5、6和7是不同波长成像光束的像方主光线。入射狭缝13的长度方向和凸球面光栅2刻线方向均沿图1所示X轴，垂直于纸面。成像光束由入射狭缝13进入系统，在凹面反射镜I上反射至凸球面光栅2，经过凸球面光栅2衍射的光束再次经过凹面反射镜I，在像平面3上形成色散的谱线，分别为3-1、3-2和3-3。像平面3上的谱线沿Y方向色散，与入射狭缝13长度方向和凸球面光栅2刻线方向垂直。凸球面光栅2与凹面反射镜I共轴。凸球面光栅为直线型或曲线型等间距槽光栅，入射光栅的光束和光栅衍射的光束不在与光栅刻线垂直的平面内。入射狭缝13和像平面3均位于XOY平面内，入射光束主光线4与中心波长出射光束主光线6位于XOZ平面内。光栅入射角和衍射角YOZ面内的投影角度相等。入射光束和出射光束在Y方向的离轴量用11表示。
[0016]参见附图3，它是本实施例提供的分光装置的光路俯视图。由图可以看出，入射狭缝13和像平面3关于凸球面光栅2顶点和凹面反射镜I顶点连线所在平面，S卩YOZ面对称。不同波长成像光束的像方主光线5、6和7在该视图下重合，并与入射光束主光线4平行。该平面内光栅入射角与衍射角投影角度相等。12-1和12-2分别表示入射光束和出射光束在X方向与凸球面光栅顶点的距离。
[0017]参见附图4和附图5，它们分别是本实施例提供的分光装置的光路和系统结构的左视图。附图4中，8为凸球面光栅2刻线所在平面，与之垂直的平面称为光栅主截面。I为凹球面反射镜，图中所示为矩形，也可以为圆形，视实际工程需要。通过入射狭缝13射入光栅的光束4与光栅衍射的光束5、6和7均不在光栅主截面内，为离面衍射，称该结构称为锥衍射装架Offner型分光装置。附图5是系统的结构示意左视图，9为凸球面光栅2顶点，10为狭缝与像平面相对光栅顶点的夹角α，0° <α<180°。入射狭缝13和中心波长光线色散像点3_2关于凸球面光栅顶点9对称。
[0018]在本实施例中，参考图2，所提供的锥衍射装架Offner型分光装置的F数为4，工作波段为 0.4μηι ?0.9μηι。
[0019]本实施例相关参数如下:探测器像元大小为25μπιΧ25μπι，有效像元数为20X400个。按照Offner型分光装置1:1成像，入射狭缝13为一长0.5mm、宽25μπι的矩形，像平面3光谱维色散宽度为10mm，空间维宽度等于狭缝长度0.5mm。凹面反射镜I的曲率半径为90mm，凸球面光栅2的曲率半径为45.7mm，光栅常数437Lp/mm，凹面反射镜I和凸球面光栅2之间距离为44mm。入射光束和出射光束在Y方向的离轴11为6.5mm，在X方向的离轴量12-1和12-2均为14.5mm0
[0020]参见附图6，它是本实施例所示的光学系统的光线追迹点列图。图中的方框表示探测器像元大小25μπιΧ25μπι，黑色圆圈表示艾里斑大小，从图中可见，该结构各波长不同视场处的点列图都能集中在艾里斑附近，接近衍射极限。
[0021]参见附图7，它是本实施例所示的光学系统的能量集中度曲线，可以看出，分光装置95%以上的能量集中在一个探测器像元内。
[0022]参见附图8，它是本实施例所示的光学系统的调制传递函数曲线，该分光装置在探测器奈奎斯特频率20Lp/mm处的调制传递函数大于0.9，几乎达到衍射极限，成像质量优良。
【主权项】
1.一种锥衍射装架OfTner型分光装置，其特征在于:它包括入射狭缝(13)、凹球面反射镜(I)、凸球面光栅(2)和像平面(3);其结构为关于凹球面反射镜(I)和凸球面光栅(2)它们的顶点所在的平面对称;入射狭缝(13)和像平面(3)偏离凸球面光栅(2)的顶点；凹球面反射镜(I)与凸球面光栅(2)的曲率半径之比为1.8:1?2.2:1。2.根据权利要求1所述的一种锥衍射装架Offner型分光装置，其特征在于:凸球面光栅的入射光束和衍射光束所在的平面，与凸球面光栅的主截面所成夹角为α，且0°<α<180。ο3.根据权利要求1所述的一种锥衍射装架OfTner型分光装置，其特征在于:入射狭缝和像平面在空间上，关于凸球面光栅顶点和凹球面反射镜顶点连线所在平面对称。4.根据权利要求1所述的一种锥衍射装架Offner型分光装置，其特征在于:中心波长成像光束在凸球面光栅上的入射角和衍射角相等。5.根据权利要求1所述的一种锥衍射装架OfTner型分光装置，其特征在于:所述分光装置的狭缝长度和色散宽度之比为1/30?I。6.根据权利要求1所述的一种锥衍射装架OfTner型分光装置，其特征在于:所述分光装置F数的取值范围为2.5 < F/# < 5。7.根据权利要求1所述的一种锥衍射装架Offner型分光装置，其特征在于:凹面反射镜的曲率半径Rl的取值范围为-95mm<Rl<-80mm。8.根据权利要求1所述的一种锥衍射装架Offner型分光装置，其特征在于:凸球面光栅的曲率半径R2的取值范围为-40mm<R2<-55mm。9.根据权利要求1所述的一种锥衍射装架Offner型分光装置，其特征在于:凸球面光栅为直线型或曲线型等间距槽光栅。10.根据权利要求1所述的一种锥衍射装架Offner型分光装置，其特征在于:凹球面反射镜与凸球面光栅的曲率半径之比为2:1。
【专利摘要】本发明公开了一种锥衍射装架Offner型分光装置，用于光谱探测。该光学系统采用全反射结构，包括入射狭缝、凹球面反射镜、凸球面光栅和像平面；其结构为关于凹球面反射镜和凸球面光栅它们的顶点所在的平面对称；入射狭缝和像平面偏离凸球面光栅的顶点；凹球面反射镜与凸球面光栅的曲率半径之比为1.8∶1～2.2∶1。本发明采用的凹面反射镜和凸面光栅均为球面，满足同心对称共轴条件，谱线弯曲畸变和梯形畸变小。分光装置采用的是锥衍射装架Offner型分光装置，入射光栅的光束与光栅衍射光束均不在光栅主截面内，入射狭缝和像平面在两个方向上都存在离轴量，尤其适用于短狭缝、宽色散范围的成像光谱仪的分光装置。
【IPC分类】G01J3/28, G01J3/02
【公开号】CN105571713
【申请号】CN201610123443
【发明人】潘俏, 沈为民
【申请人】苏州大学
【公开日】2016年5月11日
【申请日】2016年3月6日