基于反射式棱镜-光栅分光模块的成像光谱仪制造技术

本发明专利技术提出一种基于反射式棱镜‑光栅分光模块的成像光谱仪，至少包括入射狭缝、准直组、反射式棱镜‑光栅模块、成像组和焦平面探测器，其中反射式棱镜‑光栅模块包括一个透射式三棱镜和一个反射式平面衍射光栅；该成像光谱仪的对特定的反射式光路的应用场景，通过光线追迹计算，可确定三棱镜的顶角和平面衍射光栅的刻线密度的组合，在该参数组合下可对特定波长消除谱线弯曲；反射式棱镜‑光栅模块最大优点是可应用于反射式光路结构，对于航天光谱设备而言，在太空中经历的温度和气压变化较大，因此采用切尼‑特纳Czerny‑Turner反射式光路结构，有利于在温度和气压条件变化时保持系统性能的稳定。

Imaging spectrometer based on reflective prism grating splitter module

An imaging spectrometer based on a reflective prism grating splitter module is proposed, which includes at least an incident slit, a collimation group, a reflective prism grating module, an imaging group and a focal plane detector. The reflective prism grating module comprises a transmission prism and a reflective plane diffraction grating. The combination of the top angle of the prism and the groove density of the plane diffraction grating can be determined by the ray tracing calculation for the application scenario of the imaging spectrometer for a specific reflective light path, and the bending of the spectral line can be eliminated for a specific wavelength under the combination of these parameters. The greatest advantage of the reflective prism grating module is that it can be applied to the reflective light path. The structure, as far as the space spectroscopic equipment is concerned, undergoes a great change in temperature and pressure in space. Therefore, the Cheney Turner reflective optical structure is used to maintain the stability of the system performance when the temperature and pressure conditions change.

【技术实现步骤摘要】
基于反射式棱镜-光栅分光模块的成像光谱仪
本专利技术涉及光学仪器
，特别涉及一种基于反射式棱镜-光栅分光模块的成像光谱仪。
技术介绍
成像光谱仪器中光谱线的谱线弯曲对于仪器性能具有重要影响，而以单个棱镜或光栅为色散元件的光路，谱线弯曲难以校正，而由于棱镜分光与光栅分光的特性不同，导致棱镜谱线弯曲与光栅谱线弯曲的方向不同，因此采用棱镜-光栅模块分光的形式可以校正谱线弯曲。常规的棱镜-光栅组合均采用透射形式，对于航天光谱设备而言，在太空中经历的温度和气压变化较大，透射式光路性能会受到严重影响，而反射式光路对温度和气压变化的敏感度很低，光学系统更加稳定。为了克服上述缺点，设计一种新的基于反射式棱镜-光栅分光模块的成像光谱仪。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术实施例提供了一种基于反射式棱镜-光栅分光模块的成像光谱仪，采用棱镜与反射式光栅的组合消除谱线弯曲，同时采用反射式光路结构，降低在温度和气压条件变化时对系统性能的影响。本专利技术实施例中提供一种基于反射式棱镜-光栅分光模块的成像光谱仪，其至少包括入射狭缝、准直组、反射式棱镜-光栅模块、成像组和焦平面探测器，所述反射式棱镜-光栅模块包括一个透射式三棱镜和一个反射式平面衍射光栅；其中，首先入射光线由所述入射狭缝入射至所述准直组，被所述准直组反射成为平行光，平行光入射至所述反射式棱镜-光栅模块，依次经过所述透射式三棱镜的第一次分光、所述反射式平面衍射光栅的分光并反射和所述透射式三棱镜的第二次分光，然后再入射到所述成像组，经所述成像组反射成像于所述焦平面探测器上。可选地，所述成像光谱仪采用切尼-特纳光路结构，所述准直组采用凹面反射镜，所述成像组采用凹面反射镜。可选地，所述透射式三棱镜设有第一侧面、第二侧面以及底面，所述第一侧面与所述底面垂直，所述第一侧面与所述反射式平面衍射光栅之间的距离D1大于零，且所述第一侧面与所述反射式平面衍射光栅之间的距离D1小于所述第二侧面与所述反射式平面衍射光栅之间的距离D2。可选地，所述第一侧面与所述反射式平面衍射光栅的平面平行放置。可选地，所述透射式三棱镜顶角为12.5°。可选地，所述反射式平面衍射光栅刻线密度为180l/mm。本专利技术的基于反射式棱镜-光栅分光模块的成像光谱仪，通过棱镜与反射式光栅的组合，所述透射式三棱镜的所述第一侧面与所述反射式平面衍射光栅的平面平行放置，通过光线追迹可确定透射式三棱镜的顶角与反射式平面衍射光栅的刻线密度的组合，针对特定的波长校正了谱线弯曲，并且采用切尼-特纳光路结构，反射式光路有利于在温度和气压条件变化时保持系统性能的稳定。附图说明图1为本专利技术一个实施例的成像光谱仪的光路结构示意图；图2为本专利技术一个实施例的反射式棱镜-光栅模块光线追迹示意图。附图标记：入射狭缝1；准直组2；反射式棱镜-光栅模块3；成像组4；焦平面探测器5；透射式三棱镜31；反射式平面衍射光栅32；第一个折射面311；第二个折射面312；光栅面321。具体实施方式为了使本
的人员更好地理解本专利技术方案，下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本专利技术保护的范围。请参看图1，为本专利技术基于反射式棱镜-光栅分光模块的成像光谱仪的光路结构，成像光谱仪采用切尼-特纳(Czerny-Turner)光路结构，切尼-特纳光路结构有利于在温度和气压条件变化时保持系统性能的稳定。该基于反射式棱镜-光栅分光模块的成像光谱仪包括入射狭缝1、准直组2、反射式棱镜-光栅模块3、成像组4和焦平面探测器5，所述反射式棱镜-光栅模块3包括一个透射式三棱镜31和一个反射式平面衍射光栅32。其中，首先入射光线由所述入射狭缝1入射至所述准直组2，被所述准直组2反射成为平行光，平行光入射至所述反射式棱镜-光栅模块3，依次经过所述透射式三棱镜31的第一次分光、所述反射式平面衍射光栅32的分光并反射和所述透射式三棱镜31的第二次分光，然后再入射到所述成像组4，经所述成像组4反射最后成像于所述焦平面探测器5上。成像光谱仪的光路优化过程中，根据实际的像差校正要求，选择所述准直组2和所述成像组4的面型，并合理的设置所述准直组2和所述成像组4的偏心角度，以校正系统像差。所述准直组2采用凹面反射镜，所述成像组4采用凹面反射镜。在其它实施例中，所述准直组2以及所述成像组4的具体面型根据实际像差校正要求可选用球面或者抛物面或者其他非球面。在其中一个实施例中，所述透射式三棱镜31设有第一侧面、第二侧面以及底面，所述第一侧面与所述底面垂直，所述第一侧面与所述反射式平面衍射光栅32之间的距离D1大于零，且所述第一侧面与所述反射式平面衍射光栅32之间的距离D1小于所述第二侧面与所述反射式平面衍射光栅32之间的距离D2。所述第一侧面与所述反射式平面衍射光栅32的平面平行放置。在其中一个实施例中，所述透射式三棱镜31的顶角为12.5°。所述反射式平面衍射光栅32的刻线密度为180l/mm。请参看图2，为本专利技术一个实施例的反射式棱镜-光栅模块3光线追迹示意图。图2所示为棱镜-光栅的主截面，其中所示光线追迹光路为非主截面光线在主截面内的投影光路，光线入射到所述透射式三棱镜棱镜31的第一个折射面311上的入射角为θ1，折射角为θ1'，由非主截面光线在主截面内的折射定律有：sinθ1＝Nsinθ1'(1)其中N称为假定折射率，由非主截面入射角度β和三棱镜材料的折射率n决定，具体的表达式为：然后光线入射到所述棱镜31的第二个折射面312上，入射角为θ2，折射角为θ2'，由图中几何关系可以看出：θ1'+θ2＝γ(3)其中γ为所述透射式三棱镜31的顶角，同样地在第二个折射面312上应用非主截面光线在主截面内的折射定律有：Nsinθ5＝sinθ5'(4)然后光线入射到所述反射式平面衍射光栅32的第一面321，入射角为θ3，衍射角为θ3'。由于所述透射式三棱镜31的第二折射面312与所述反射式平面衍射光栅32的第一面321平行，故：θ2＇＝θ3(5)应用非主截面光线的光栅方程有：其中d为光栅周期，k为所用光栅级次，λ为谱线弯曲校正波长。然后光线第二次入射到所述透射式三棱镜31的第二折射面312，入射角为θ4，衍射角为θ4'，同样可应用非主截面折射公式有：sinθ4＝Nsinθ4'(7)最后光线第二次入射到所述透射式三棱镜31的第一折射面311，入射角为θ5，衍射角为θ5'，由图中几何关系有：θ4'+β＝θ5(8)由非主截面折射公式有：Nsinθ5＝sinθ5'(9)至此，完成了光线在所述反射式棱镜-光栅分光模块3中的光线追迹，光线最后由所述透射式三棱镜31的第一折射面311以角度θ5'出射，离开所述反射式棱镜-光栅分光模块3。由此根据谱线弯曲公式，计算出三次经过分光元件的三个谱线弯曲分量分别为：其中Δy'p1，Δy'g和Δy'p2分别为第一次经过所述透射式三棱镜31的谱线弯曲分量、经过所述反射式平面衍射光栅32的谱线弯曲分量和第二次经过所述透射式三棱镜31的谱线弯曲分量，f＇为所述准直组2和所述成像组4的焦距本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于反射式棱镜‑光栅分光模块的成像光谱仪，其特征在于：至少包括入射狭缝、准直组、反射式棱镜‑光栅模块、成像组和焦平面探测器，所述反射式棱镜‑光栅模块包括一个透射式三棱镜和一个反射式平面衍射光栅；其中，入射光线由所述入射狭缝入射至所述准直组，被所述准直组反射成为平行光，平行光入射至所述反射式棱镜‑光栅模块，依次经过所述透射式三棱镜的第一次分光、所述反射式平面衍射光栅的分光并反射和所述透射式三棱镜的第二次分光，再入射到所述成像组，经所述成像组反射成像于所述焦平面探测器上。

【技术特征摘要】
1.一种基于反射式棱镜-光栅分光模块的成像光谱仪，其特征在于：至少包括入射狭缝、准直组、反射式棱镜-光栅模块、成像组和焦平面探测器，所述反射式棱镜-光栅模块包括一个透射式三棱镜和一个反射式平面衍射光栅；其中，入射光线由所述入射狭缝入射至所述准直组，被所述准直组反射成为平行光，平行光入射至所述反射式棱镜-光栅模块，依次经过所述透射式三棱镜的第一次分光、所述反射式平面衍射光栅的分光并反射和所述透射式三棱镜的第二次分光，再入射到所述成像组，经所述成像组反射成像于所述焦平面探测器上。2.如权利要求1所述的基于反射式棱镜-光栅分光模块的成像光谱仪，其特征在于：所述成像光谱仪采用切尼-特纳光路结构，所述准直组采用凹面反射镜，所述成像组采用凹面反射镜。3.如权利要求1...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔继承，陈建军，杨晋，孙慈，刘嘉楠，刘建利，张锐，姚雪峰，宋楠，
申请(专利权)人：中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22