一种基于自由曲面的三光栅成像光谱仪

本发明涉及光学设计，特别涉及一种基于自由曲面的三光栅成像光谱仪。

背景技术：

1、成像光谱仪能够在获取目标空间信息的同时获取其光谱信息，因此在空间遥感、伪装识别等方面具有重要应用。随着无人机技术的迅速发展和不断成熟，能够满足无人机机载应用要求的工作波段宽、光谱分辨率高、小型化且轻量化的成像光谱仪成为研究热点。但是基于传统光学元件的成像光谱仪，在工作波段、光谱分辨率和体积之间存在相互制约的关系。在扩展工作波段并且提高光谱分辨率时，光学系统的体积将会增大，无法满足小型化和轻量化的要求。

2、随着加工和检测技术的不断发展，自由曲面在各种光学系统中得到了广泛的应用。自由曲面打破了传统光学元件的旋转对称性，而且引入了更多的自由度，具有强大的像差校正能力，特别是在离轴反射系统中，具有卓越的性能。在成像光谱仪中引入自由曲面，能够提升系统的性能而且减小体积。但是使用过多的自由曲面，将大幅提高系统的制造成本和装调难度。将光栅设计为自由曲面，会大大增加制造难度，甚至某些自由曲面光栅是无法进行加工和检测的。同时，在设计过程中，应该尽量保证自由曲面表面矢高的起伏不过大，确保其可加工性。

3、本发明提出了一种三块光栅共用光路、自由切换工作状态的方案，并最终设计出一款三光栅成像光谱仪。

技术实现思路

1、本发明提出了一种三块光栅共用光路、自由切换工作状态的方案，将200nm-1600nm分为三个波段，然后选取刻线间隔为0.0025mm、0.005mm和0.01mm（刻线密度分别为400 l/mm、200 l/mm和100 l/mm）的光栅分别对200nm-400nm、400nm-800nm、800nm-1600nm的光线进行色散，然后采用紫外（简称：uv）相机和可见近红外（简称：vnir）相机分别接收紫外光线（200nm-400nm）和可见近红外光线（400nm-1600nm），最终设计出一款三光栅成像光谱仪，光学体积为24mm×38mm×74mm，200nm-400nm、400nm-800nm、800nm-1600nm的光谱分辨率分别优于0.4nm、0.8nm和1.6nm，全视场全波段在60lp/mm处的光学传递函数值均大于0.5，谱线弯曲和色畸变均小于1.4μm。

2、本发明实施例中提供基于自由曲面的三光栅成像光谱仪，其工作波段为200nm-1600nm，光路体积为24mm×38mm×74mm。使用刻线间隔为0.0025mm、0.005mm和0.01mm的三块光栅分别实现200nm-400nm、400nm-800nm、800nm-1600nm三个波段的高衍射效率的色散。然后通过紫外探测器接收紫外波段的成像光线（200nm-400nm），可见近红外探测器接收可见、近红外波段的成像光线（400nm-1600nm）；设计结果表明，三个波段的光谱分辨率分别为0.4nm、0.8nm和1.6nm，全视场全波段在60lp/mm处的光学传递函数值均大于0.5，谱线弯曲和色畸变均小于1.4μm，成像质量良好。

3、可选地，所述成像光谱仪的工作波段为200nm-1600nm，光学体积为24mm×38mm×74mm。

4、可选地，所述成像光谱仪在200nm-400nm、400nm-800nm、800nm-1600nm三个波段的光谱分辨率分别优于0.4nm、0.8nm和1.6nm。

5、可选地，所述成像光谱仪全视场全波段在60lp/mm处的光学传递函数值均大于0.5，谱线弯曲和色畸变均小于1.4μm。

6、可选地，所述成像光谱仪的光栅采用平面衍射光栅，仅将凹面反射准直镜和凹面反射成像镜设计为自由曲面。

7、可选地，所述成像光谱仪的紫外波段采用索尼公司的紫外cmos图像传感器，型号imx487，四像元合并使用，等效像元大小为10.96μm。可见近红外波段采用索尼公司的可见近红外cmos图像传感器，型号imx992，四像元合并使用，等效像元大小为13.8μm。两个探测器对应的截止频率分别为45.6cycles/mm和36.2cycles/mm。

8、从以上技术方案可以看出，本发明实施例具有以下优点：

9、1、所述成像光谱仪，工作波段为200nm-1600nm，光路体积为24mm×38mm×74mm，具有工作波段宽、小型化且轻量化的优点。

10、2、所述成像光谱仪，使用刻线间隔为0.0025mm、0.005mm和0.01mm的三块光栅分别实现200nm-400nm、400nm-800nm、800nm-1600nm三个波段的高衍射效率的色散。然后通过紫外探测器接收紫外波段的成像光线（200nm-400nm），可见近红外探测器接收可见、近红外波段的成像光线（400nm-1600nm），使得三个波段中对应波长的像差特性完全一致，有效解决了宽工作波段和高光谱分辨率之间的矛盾，降低了光学设计的难度。

11、3、所述成像光谱仪，三个波段的光谱分辨率分别为0.4nm、0.8nm和1.6nm，全视场全波段在60lp/mm处的光学传递函数值均大于0.5，谱线弯曲和色畸变均小于1.4μm，成像质量良好，具有高光谱分辨率的优点。

技术特征：

1.基于自由曲面的三光栅成像光谱仪，其特征在于：由沿光线入射方向依次排布的光学狭缝、凹面反射准直镜、3块可转动切换的平面光栅、凹面反射成像镜、二向色滤光片和2个探测器组成；

2.如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于：所述成像光谱仪的光栅采用平面衍射光栅，凹面反射准直镜和凹面反射成像镜为自由曲面。

3.如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于：所述成像光谱仪的工作波段为200nm-1600nm，光学体积为24mm×38mm×74mm。

4.如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于：所述成像光谱仪在200nm-400nm、400nm-800nm、800nm-1600nm三个波段的光谱分辨率分别优于0.4nm、0.8nm和1.6nm。

5.如权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于：所述2个探测器分别为紫外波段探测器和可见近红外波段探测器，两个探测器对应的截止频率分别为45.6cycles/mm和36.2cycles/mm。

技术总结本发明提出一种基于自由曲面的三光栅成像光谱仪，其工作波段为200nm‑1600nm，光路体积为24mm×38mm×74mm。使用刻线间隔为0.0025mm、0.005mm和0.01mm的三块光栅分别实现200nm‑400nm、400nm‑800nm、800nm‑1600nm三个波段的高衍射效率的色散。然后通过紫外探测器接收紫外波段的成像光线（200nm‑400nm），可见近红外探测器接收可见、近红外波段的成像光线（400nm‑1600nm）。三个波段的光谱分辨率分别为0.4nm、0.8nm和1.6nm，谱线弯曲和色畸变均小于1.4μm。该系统具有成像质量好、小型化、超低谱线弯曲和色畸变的优点。技术研发人员：陈建军,霍立民,王琳琳,宋淑江,常丽芳,谭明月,邵明伟,谢帅受保护的技术使用者：青岛理工大学技术研发日：技术公布日：2024/11/4