[發明專利]一種基于自由曲面棱鏡的一體式微型光譜儀光學系統

在審

• 申請號: 202010595459.6
• 申請日: 2020-06-27
• 公開（公告）號: CN111854953A
• 公開（公告）日: 2020-10-30
• 發明（設計）人: 王占山;余俊;沈正祥;王旭
• 申請（專利權）人: 同濟大學
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/04;G01J3/14;G01J3/18
• 代理公司: 上海科盛知識產權代理有限公司 31225
• 代理人: 翁惠瑜

本發明涉及一種基于自由曲面棱鏡的一體式微型光譜儀光學系統，包括入射狹縫(1)、自由曲面棱鏡(2)和像面(3)，所述的自由曲面棱鏡(2)包括入瞳平面(201)、準直區域(202)、聚焦區域(204)和出射面(205)，所述的準直區域(202)和聚焦區域(204)上設有反射鏡，所述的自由曲面棱鏡(2)上還設有平面衍射光柵(203)，入射光線由入射狹縫(1)出射，經入瞳平面(201)入射后經準直區域(202)反射至平面衍射光柵(203)，衍射分光后的光線經聚焦區域(204)反射并經出射面(205)出射，聚焦在像面(3)成像。與現有技術相比，本發明具有高性能、構型緊湊和低成本等優點。

技術領域

本發明涉及光學系統和器件設計領域，尤其是涉及一種基于自由曲面棱鏡的一體式微型光譜儀光學系統。

背景技術

二十世紀70年代開始已經出現色散型成像光譜儀器，其探測目標并能獲取圖像信息和光譜信息，廣泛應用于遙感和勘探等科學研究，如進行礦物識別、農林監測、軍事偵察、海色及大氣探測等。成像光譜儀器的光學系統通常由望遠物鏡和光譜儀組成，其光譜探測功能的主要核心是光譜儀，便攜式光譜儀優先考慮的是小巧體積和重量，而非超高的分辨率。微型光譜儀系統在航天遙感和軍事偵察等軍用領域有十分重要的意義，而在手持式光譜儀、手機、筆記本電腦等便攜設備中具有廣闊的商用前景。但是，傳統的光譜儀設計采用多片組合的折射或反射結構設計，其系統體積大，機械結構設計復雜，因而不利于復雜多變的環境應用。

公開號為CN104406691A的發明專利，公開了一種基于單個自由曲面的成像光譜儀分光系統，系統由入射狹縫，自由曲面反射鏡，平面閃耀光柵以及像面組成。本發明的特點在于兩次使用一個非旋轉對稱的自由曲面反射鏡分別充當準直鏡和成像鏡，配以高性能且加工工藝成熟的平面閃耀光柵，實現結構簡單、緊湊，小像差、低畸變、高效率的光譜儀分光系統。但其光學系統仍有多部分組成需要鏡片與光柵的安裝與調試，并需要外部的定位結構設計。公開號為CN110470394A的發明專利，公開了一種超緊湊光譜儀光學系統，由視場光欄、光柵、復合透鏡、第一反射鏡、第二反射鏡和濾光片組成，光學系統為折反射式，光柵為平面反射光柵，復合透鏡被光線四次經過，但其本身仍是需要多片反射鏡片和透鏡組合調試并定位安裝，其外部結構設計會比較復雜。

發明內容

本發明的目的就是為了克服上述現有技術存在的缺陷而提供一種基于自由曲面棱鏡的一體式微型光譜儀光學系統，低成本、高性能且構型緊湊。

本發明的目的可以通過以下技術方案來實現：

一種基于自由曲面棱鏡的一體式微型光譜儀光學系統，包括入射狹縫、自由曲面棱鏡和像面，所述的自由曲面棱鏡包括入瞳平面、準直區域、聚焦區域和出射面，所述的準直區域和聚焦區域上設有反射鏡，所述的自由曲面棱鏡上還一體化設置有平面衍射光柵，入射光線由入射狹縫出射，經入瞳平面入射后經準直區域反射至平面衍射光柵，衍射分光后的光線經聚焦區域反射并經出射面出射，聚焦在像面成像。

進一步地，所述的入瞳平面與出射面為自由曲面棱鏡上的同一非旋轉對稱的表面，所述的表面為自由曲面或平面。

進一步地，所述的準直區域與聚焦區域為自由曲面棱鏡上的同一非旋轉對稱的表面，所述的表面為自由曲面。

進一步地，所述的平面衍射光柵直接設計和加工在自由曲面棱鏡上且與入瞳平面、出射面互不干涉。

進一步地，所述的自由曲面棱鏡的基底材質為氟系玻璃、光學塑料、硒化鋅或硫系材料，若光譜儀用于可見近紅外波段，則自由曲面棱鏡的基底材質可選用氟系玻璃或PMMA、E48R等光學塑料；若光譜儀用于短波紅外波段，則自由曲面棱鏡的基底材質可選用硒化鋅或氟系玻璃，若光譜儀用于中長波紅外波段，則自由曲面棱鏡的基底材質可選用硒化鋅或硫系材料。

進一步地，所述的入射狹縫的尺寸為2mm×16μm，所述的平面衍射光柵的光柵刻線密度為300line/mm。