基于后臂补偿的Littrow短波成像光谱系统

本发明涉及高分辨率成像光谱仪，尤其涉及一种基于后臂补偿的littrow短波成像光谱系统。

背景技术：

1、光栅式光谱系统是用来探测目标光谱信息的光学系统，其成像原理按现有的光学模型可分为凸面反射式光栅、凹面反射式光栅、平面透射式光栅以及平面反射式光栅。其中，凸面反射式光栅和凹面反射式光栅相关技术在国外应用较为广泛，国内市场涉及较少；平面透射式光栅的成像系统细长，且系统杂散辐射非常严重；平面光栅系统对杂光的抑制能力比较强。

2、常用的平面反射光栅式光谱系统为littrow光谱系统，但其平面光栅分光模块由于狭缝方向与系统的子午面互相垂直，狭缝上相同谱线不同物点发出的光线经过平面光栅后会产生较为严重的谱线弯曲，严重的谱线弯曲会导致系统产生光谱混叠。

3、为解决该问题，现有技术公开了基于前臂补偿和平面光栅结合的光谱成像系统，该系统的优势是结构紧凑，大相对孔径，但其同时也因狭缝处的入射光线无法实现远心设计，使得其与前置镜一起使用时，全系统光瞳匹配困难，且边缘视场存在渐晕等问题，进而导致系统的成像质量较差。

技术实现思路

1、为了解决现有的littrow成像光谱系统因光瞳匹配困难，且边缘视场存在渐晕的现象，而导致系统的成像质量较差等技术问题，本发明提供一种基于后臂补偿的littrow短波成像光谱系统。

2、本发明的构思是：利用littrow光学模型与后臂补偿离轴透镜组相结合，有效解抑制了平面光栅所产生的光谱弯曲和光谱畸变，实现系统的大相对孔径，高分辨率、高信噪比，轻量化小型化设计。

3、为实现上述目的，完成上述发明构思，本发明的技术方案如下：

4、一种基于后臂补偿的littrow短波成像光谱系统，其特殊之处在于：

5、包括沿光轴依次设置的狭缝、littrow光学模块、平面光栅及后臂补偿透镜组和探测器模块；

6、所述狭缝用于抑制不同通道的光谱混叠并接收目标光谱信息；

7、所述littrow光学模块包括第一透镜组和第二透镜组；所述第一透镜组和第二透镜组为光路复用透镜组，二者沿入射光路组成准直透镜组，沿反射光路组成成像透镜组；

8、所述第一透镜组包括第一正透镜和第二正透镜；所述第二透镜组包括第一负透镜和第三正透镜；所述第一正透镜、第二正透镜、第一负透镜和第三正透镜沿入射光的透射光路依次设置；

9、所述平面光栅用于将通过通过littrow光学模块准直后的光束反射，使得光束再次经过通过littrow光学模块，并经后臂补偿透镜组会聚成像到探测器模块上；

10、所述后臂补偿透镜组位于littrow光学模块靠近狭缝的一侧，所述后臂补偿透镜组用于校正系统的高阶像散；所述狭缝和后臂补偿透镜组分别位于光轴的两侧，狭缝的中心轴线与后臂补偿透镜组的光轴之间的垂直距离为5～8mm；所述后臂补偿透镜组包括第二负透镜和第四正透镜；所述第二负透镜和第四正透镜沿入射光的反射光路依次设置；

11、所述探测器模块位于后臂补偿透镜组的透射光路上，用于将接收到的光信号转换成电信号及图像信号。

12、进一步地，所述第一正透镜为双凸面的正透镜；

13、所述第二正透镜为凸面朝向物方的弯月形正透镜；

14、所述第一负透镜为凸面朝向物方的弯月形负透镜；

15、所述第三正透镜为双凸面的正透镜；

16、所述第二负透镜为凸面朝向像方的弯月形负透镜；

17、所述第四正透镜为凸面朝向像方的弯月形正透镜。

18、进一步地，所述第一正透镜的前表面曲率半径为2009.8mm，后表面曲率半径为-57.8mm，厚度为12mm，间隔为2.1mm；

19、所述第二正透镜前表面曲率半径为111.9mm，后表面曲率半径为590.2mm，厚度为8mm，间隔为61mm；

20、所述第一负透镜前表面曲率半径为285mm，后表面曲率半径为59mm，厚度为3mm，间隔为3.1mm；

21、所述第三正透镜前表面曲率半径为76.4mm，后表面曲率半径为-193.43mm，厚度为5.6mm，间隔为5.7mm；

22、所述第二负透镜前表面曲率半径为-18mm，后表面曲率半径为-11.4mm，厚度为4.1mm，间隔为4.45mm；

23、所述第四正透镜前表面曲率半径为-16.4mm，后表面曲率半径为-14.1mm，厚度为4.2mm，间隔为17.97mm。

24、进一步地，所述第一正透镜的折射率nd1＝1.677，阿贝数vd1＝55.2；

25、所述第二正透镜的折射率nd2＝1.65，阿贝数vd2＝50.88；

26、所述第一负透镜的折射率nd3＝1.92，阿贝数vd3＝20.28；

27、所述第三正透镜的折射率nd4＝1.65，阿贝数vd4＝39.54；

28、所述第二负透镜的折射率nd5＝1.51，阿贝数vd5＝64.19；

29、所述第四正透镜的折射率nd6＝2.01，阿贝数vd6＝28.31。

30、进一步地，所述狭缝的宽度为30～100μm。

31、进一步地，所述平面光栅刻线密度为80～150lp/mm，闪耀角为4.32°。

32、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

33、1、本发明的littrow短波成像光谱系统，包括沿光轴依次设置的狭缝、littrow光学模块、平面光栅、后臂补偿透镜组及探测器模块，利用littrow光学模块与后臂补偿透镜组相结合的方式，实现了系统的大相对孔径设计，进而提升了光瞳匹配度，且有效消除了边缘视场存在渐晕等现象，抑制了平面光栅所产生的光谱弯曲和光谱畸变，从而提升了系统的成像质量。

34、2、本发明狭缝的中心轴线与后臂补偿透镜组的光轴之间的垂直距离为5～8mm，该尺寸可有效补偿系统的残余光谱弯曲和像散，进而提高系统的成像质量。

35、3、本发明的littrow短波成像光谱系统，整个系统的光学空间体积为121mm×55mm×48mm，整体结构紧凑，适用范围较广。

36、4、本发明的littrow短波成像光谱系统相对孔径为1/2，相对孔径较大，系统集光能力较强，从而提升了系统的信噪比。

37、5、本发明的littrow短波成像光谱系统，整体装配工艺简单，对各光学元件之间的间距和相对位置无特殊需求，只需满足组装工艺即可。

技术特征：

1.一种基于后臂补偿的littrow短波成像光谱系统，其特征在于：

2.根据权利要求1所述的基于后臂补偿的littrow短波成像光谱系统，其特征在于：

3.根据权利要求2所述的基于后臂补偿的littrow短波成像光谱系统，其特征在于：

4.根据权利要求3所述的基于后臂补偿的littrow短波成像光谱系统，其特征在于：

5.根据权利要求4所述的基于后臂补偿的littrow短波成像光谱系统，其特征在于：

6.根据权利要求5所述的基于后臂补偿的littrow短波成像光谱系统，其特征在于：

技术总结
为了解决现有的Littrow成像光谱系统因光瞳匹配困难，且边缘视场存在渐晕的现象，而导致系统的成像质量较差等技术问题，本发明提供一种基于后臂补偿的Littrow短波成像光谱系统，该系统包括沿光路依次设置的狭缝、Littrow光学模块、平面光栅、后臂补偿透镜组及探测器模块。本发明利用Littrow光学模块与后臂补偿透镜组相结合的方式，抑制平面光栅所产生的光谱弯曲和光谱畸变，实现了系统的大相对孔径设计，进而实现了机载地物目标的短波红外高光谱成像。

技术研发人员：李西杰,李娟,李勇,畅晨光,赵珩翔,李洪波,赵昊,刘杰,冯玉涛
受保护的技术使用者：中国科学院西安光学精密机械研究所
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13