一种红外面场光谱仪光学系统及设计方法技术方案

本发明专利技术公开了一种红外面场光谱仪光学系统及设计方法，由视场光栏、准直镜、棱镜组、会聚镜和滤光片组成。光学系统为透射式，来自物方的光线从视场光栏出发，经过准直镜准直，再经过棱镜组色散，经过会聚镜会聚，再经滤光片后到达像面。视场光栏一侧表面刻有根据孔径编码算法设计的二维掩膜图案，色散元件为棱镜组。采用整体综合优化方法进行光学系统设计，确保光谱仪的像质、光谱畸变的同时，能有效减少光学元件数量，增大面区域视场。本发明专利技术的优点是：面视场大、像质优、光学效率高、光谱畸变低、光谱线性良好、结构简单紧凑，可用作大面场计算成像光谱仪的分光系统。

【技术实现步骤摘要】
一种红外面场光谱仪光学系统及设计方法
本专利技术涉及光学系统和光学设计，特别是指一种红外面场光谱仪光学系统及其设计方法。
技术介绍
成像光谱仪因能同时获取目标的二维几何信息和一维光谱信息，能进行物质识别，在科研生产等各领域中应用非常广泛。孔径编码计算光谱成像技术作为一项新兴的光谱技术，已成为近年来的研究热点。区别于传统推帚式成像光谱技术，基于孔径编码的计算光谱成像技术用一个可移动的含有编码信息的面区域视场光栏取代了传统推帚式仪器的一维视场光栏，通过面视场光栏组件的精确移动，对入射信息进行调制，经光谱仪色散后，在探测上形成混叠的光谱，再通过孔径编码重构算法复原出探测目标的形貌和光谱数据，具有高通量和高信噪比的特点。随着该项研究的不断发展和深入，仪器的技术指标也不断提高，应用谱段也有拓展需求。对光学系统而言，需要有适应红外波段的光学系统。现有技术存在的主要问题是：(1)光谱仪光学系统以可见为主，需要拓展到红外。(2)光谱仪光学系统适应的视场比较小，孔径编码模板即面视场光栏组件的视场比较小。(3)当面视场较大时，光路中的镜片比较多，光路较长。
技术实现思路
本专利技术的目的是弥补现有技术的不足，提供一种红外面场光谱仪光学系统及设计方法。为了达到上述目的，本专利技术的技术方案是：图1是本专利技术的光谱仪光路示意图，光谱仪光学系统由视场光栏1、准直镜2、棱镜组3、会聚镜4和滤光片5组成。光谱仪为透射式光学系统，来自物方的光线从视场光栏1出发，经过准直镜2准直，再经过棱镜组3色散，再经过会聚镜4会聚后，经滤光片5，最终到达像面。视场光栏1的基底为红外石英玻璃，视场光栏1安装于结构框内，通过电控能实现二维精确平移，用以调制入射光信息。准直镜2采用双分离式透镜组，材料均为红外石英玻璃，残余像差在光谱仪光学系统整体优化中再调整。棱镜组3采用密接的三片棱镜组合，初步校正光谱非线性，前、后为结构相同的三角棱镜，材料采用高透肖特玻璃N-PK52A；中间为等腰棱镜，材料采用红外石英。透镜玻璃组合是红外高透肖特玻璃N-PK52A、红外石英和N-PK52A。滤光片5放置在会聚镜4的焦面之前，既用于滤除仪器不需要但探测器能响应的入射光光谱，也用作探测器的杜瓦窗口。光谱仪光学系统的设计方法：建模棱镜组3，借助理想透镜，控制色散长度、光谱非线性和光谱畸变，求解棱镜组3的初始结构；独立设计准直镜2和会聚镜4，透镜材料选用红外玻璃，例如N-PK52A和红外石英；最后建立光谱仪模型，控制准直镜2的准直度、像质、光谱仪畸变和光瞳位置，进行整体综合优化。为减少光学元件数量，保留会聚镜4的多片式结构，将准直镜2从常用的多片式结构改成双分离式结构，最终通过整体综合优化方法，用会聚镜4平衡准直镜2的轴外像差，达到大面场光谱仪优良像质和低光谱畸变设计。由于上述技术方案的使用，本专利技术的一种红外大面场光谱仪光学系统的优点是：光谱仪准直镜组为双分离式，镜片少、光学效率更高；光谱仪选用高透的红外玻璃，光学效率高；光谱仪光学系统采用整体综合消像差设计，结构较为紧凑，像质优良，既可以做到大面场设计也能兼顾低畸变设计，这种设计方法也适合可见光波段类似光谱仪的光学系统设计。附图说明图1为本专利技术的光谱仪光路示意图。图中：1为视场光栏；2为准直镜；3为棱镜组；4为会聚镜；5为滤光片。具体实施方式下面根据图1，给本专利技术一个较好实施例并作详细阐述：设计一个短波红外大面场成像光谱仪，所用探测器面阵规模为500元×256元，像元尺寸为30μm×30μm，光谱维使用211元，其设计指标要求列于表1中。表1设计结果为：准直镜为双分离式，镜片材料均为红外石英。棱镜组为三片式，前后棱镜和中间棱镜的材料分别为肖特玻璃N-PK52A和红外石英，前后两个棱镜为完全相同的棱镜，其前后表面角度分别为86.36°和56.41°，中间棱镜前后表面角度相等，分别为56.41°。会聚镜为六片式镜组，镜片材料为肖特玻璃N-PK52A、SF14和红外石英的组合。在棱镜组之后或者在像面前设计有基底为红外石英的滤光片，该滤光片也作为探测器的杜瓦窗口。光谱仪归一化(0，0)视场、(0，0.707)视场、(0，1)视场，和(0.707，0)视场、(0.707，0.707)视场和(0.707，1)视场，以及(1，0)视场、(1，0.707)视场和(1，1)视场，代表波长0.9μm、1.7μm和2.5μm处的点列图rms直径均小于9μm，小于像元尺寸30μm。在奈奎斯特截止频率16.7pl/mm处，光谱仪归一化(0，0)视场、(0，0.707)视场、(0，1)视场，和(0.707，0)、(0.707，0.707)视场、(0.707，1)视场，以及(1，0)视场、(1，0.707)视场和(1，1)视场，代表波长0.9μm、1.7μm和2.5μm处的MTF分别优于0.75、0.74和0.62。以线视场来分析光谱仪的畸变，中心线视场光谱仪光谱弯曲低于3.0μm，色畸变低于5.1μm；归一化+1线视场光谱仪光谱弯曲低于3.1μm，色畸变低于5.8μm；归一化-1线视场光谱仪光谱弯曲低于5.5μm，色畸变低于4.3μm；均低于1/5像元尺寸。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种红外面场光谱仪光学系统，由视场光栏(1)、准直镜(2)、棱镜组(3)、滤光片(5)和会聚镜(4)组成，其特征在于：/n所述的光谱仪光学系统为透射式，来自物方的光线经过视场光栏(1)的调制，经准直镜(2)准直，再经过棱镜组(3)色散，再经过会聚镜(4)会聚后，经过滤光片(5)，光谱最终混叠成像在探测器像面上。/n

【技术特征摘要】
1.一种红外面场光谱仪光学系统，由视场光栏(1)、准直镜(2)、棱镜组(3)、滤光片(5)和会聚镜(4)组成，其特征在于：
所述的光谱仪光学系统为透射式，来自物方的光线经过视场光栏(1)的调制，经准直镜(2)准直，再经过棱镜组(3)色散，再经过会聚镜(4)会聚后，经过滤光片(5)，光谱最终混叠成像在探测器像面上。


2.根据权利要求1所述的一种红外面场光谱仪光学系统，其特征在于：
所述的棱镜组(3)采用密接的三片棱镜组合，前、后为结构相同的...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁立银，谢佳楠，李春来，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：发明
国别省市：上海;31