[发明专利]大口径光栅型成像光谱仪的光学系统及设计方法

权利要求书

1.一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统，包括有望远物镜和光谱成像系统，所述的望远物镜光学系统沿入射光的传播方向依次同轴安装有次镜和主镜；所述的光谱成像系统包括有准直物镜、光栅和成像物镜，光路采用M型结构，其特征在于：望远物镜为折反射式大口径望远物镜；次镜(1)的前表面的中心镀有反射膜，主镜(2)的整个后表面镀有反射膜；光谱成像系统中的光栅采用凸面光栅(5)；来自目标物的入射光依次通过次镜(1)折射，经过主镜(2)后表面反射，再经过次镜(1)前表面的反射，通过狭缝(3)进入光谱成像系统，进入光谱成像系统的入射光经过准直物镜(4)反射后照射到凸面光栅(5)上，凸面光栅(5)将入射光按照垂直于狭缝(3)的方向色散后，由球面反射成像物镜(6)汇聚成像在成像光谱系统像平面上，二维CCD探测器(7)置于成像光谱系统像平面上，望远物镜与光谱成像系统相对孔径匹配，光谱成像系统的数值孔径大于望远物镜的数值孔径。

2.根据权利要求1所述的大口径光栅型成像光谱仪的光学系统，其特征在于：望远物镜各参数设计通过下述公式进行：

r₁＝2f/β；

r₂＝2af/(1+β)；

d＝f(1-α)/β；

其中α为次镜对主镜的遮拦比，α＝h₂/h₁，h₁和h₂为主、次镜孔径，β为次镜的放大率，β＝-L₁/L₂，L₁为主镜到狭缝的距离，L₂为次镜到狭缝的距离，d为主、次镜之间间距，通过计算得出望远物镜主镜曲率半径r₁，次镜曲率半径r₂，主次镜间距d。

3.根据权利要求2所述的大口径光栅型成像光谱仪的光学系统，其特征在于：光谱成像系统参数：r_准直＝r_成像＝2f，其中f＝f_准直＝f_成像，狭缝以及探测器分别放在准直物镜和成像物镜的焦平面处。

4.根据权利要求3所述的大口径光栅型成像光谱仪的光学系统，其特征在于：光谱成像系统的数值孔径为0.06，望远物镜的相对孔径为1/9。

5.一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统设计方法，其特征在于：采用改进型卡塞格林物镜形成大口径望远物镜，大口径望远物镜与凸面光栅的光谱成像系统光路连接，构成一种大口径光栅型成像光谱仪的光学系统，具体的设计过程包括：

步骤1、选用卡塞格林系统为初始结构；

步骤2、根据卡塞格林系统像差与遮拦比，放大率的关系，以及要满足主次镜曲率和主次镜间距均小于零的约束条件，计算得到初始结构参量，结构参量包括：望远物镜主镜曲率半径r₁，次镜曲率半径r₂，主次镜间距d；

步骤3、在此结构参量基础上，对卡塞格林结构进行改进，包括有主镜(1)和次镜(2)均是球面透镜，其中在次镜(2)的前表面中心直径为D₂的范围内镀有反射膜，主镜(1)的整个后表面镀有反射膜；

步骤4、采用光学设计软件ZEMAX对结构参量中的主次镜半径r₁、r₂和主次镜间距d进行优化，具体是将主次镜半径和间距设为变量优化，经过反复的优化；

步骤5、根据相对孔径空间匹配的要求，采用光学设计软件ZEMAX设计凸面光栅的光谱成像系统光路参数及结构，整体结构为M型结构，光路参数包括准直物镜(4)曲率半径，凸面光栅的曲率半径，成像物镜(6)曲率半径，以及狭缝(3)、准直物镜(4)、凸面光栅(5)、成像物镜(6)、探测器(7)之间的间距，完成成像光谱仪望远物镜光学系统的设计。

6.根据权利要求5所述的大口径光栅成像光谱仪的光学系统设计方法，其特征在于：步骤2中的初始结构参量需满足r₁＜0，r₂＜0，d＜0，，成像在主、次镜之外，取α＝0.25，β＝-3，0＜α＜1，β＜0表示主镜为凹镜，次镜为凸镜。

7.根据权利要求6所述的大口径光栅型成像光谱仪的光学系统设计方法，其特征在于：步骤4中的优化过程中应加入工作距和焦距的控制。