[实用新型]基于自由曲面的成像光谱仪

说明书

该实用新型涉及一种基于自由曲面的成像光谱仪，包括狭缝，第一自由曲面镜，反射光栅，第二自由曲面镜，以及光谱图像接收器件。本实用新型中的基于自由曲面的成像光谱仪中设置有第一自由曲面镜和第二自由曲面镜，由第一自由曲面镜和第二自由曲面镜在光束传播过程中的聚焦和矫正作用来最大程度消除成像光谱仪系统中产生的各种像差问题，使得最终在光谱图像接收器件的成像靶面的成像质量最优，最大程度减小各种像差对采谱的干扰。

技术领域

本实用新型涉及成像光谱仪技术领域，特别涉及一种自由曲面的成像光谱仪。

背景技术

光谱仪是由棱镜或衍射光栅等分光器件，将成分复杂的复色光分解为光谱线的科学仪器。光谱仪具有分析精度高、测试灵敏度高、测量范围大、测量速度快等优点。成像光谱仪是20世纪80年代以来以光谱遥感成像技术为基础发展起来的一种能同时获取物体空间和光谱信息的光学仪器，具有图谱合一性。因此，其被广泛应用于石油化工、医药生物、环境监测、地质勘探等部门，也可应用于卫星遥感、军事侦察、宇宙与海洋探索、资源和水文勘测等，同时服务于生产制造、色度学、生态学等相关领域。

成像光谱仪类型一般为色散型光谱仪，此类光谱仪普遍存在的三种像差问题，球差，慧差，象散。球差主要由于成像光谱仪系统中使用了球面反射镜，边缘光线与中心光线经过球面镜反射后不能聚焦与同一点，造成像点的模糊。Czerny-Turner型成像光谱仪中的准直反射镜和聚焦反射镜都在离轴条件下使用，会产生了一定的彗差。光谱仪的彗差会使得谱线产生单边扩散效应，这样既降低了光谱分辨率，也容易造成假谱线。像散的产生可归因于球面反射镜子午面与弧矢面的曲率半径相同，导致其在离轴成像时子午焦距与弧矢焦距不等造成的。要实现光谱仪优质的成像成谱目的，必须把这三种像差在成像光谱仪系统中消除。

实用新型内容

本实用新型的目的在于提供一种基于自由曲面的成像光谱仪，能够最大程度地消除成像光谱仪系统中产生的各种像差问题，使得最终CCD成像靶面的成像质量最优，最大程度减小各种像差对采谱的干扰。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种基于自由曲面的成像光谱仪，包括：狭缝，设置于所述成像光谱仪的进光口，用于给所述成像光谱仪提供物像；第一自由曲面镜，设置于自所述狭缝出射的光束的光路上，用于对经所述狭缝出射的光束进行准直与矫正；反射光栅，设置于自所述第一自由曲面镜出射的光束的光路上，用于对自所述第一自由曲面镜出射的光束进行色散分光处理，使自所述第一自由曲面镜出射的光束中包含的不同波长的光通过不同的角度继续传播；第二自由曲面镜，设置于所述反射光栅出射的光束的光路上，用于对自所述反射光栅出射的光束进行聚焦和矫正；光谱图像接收器件，设置于自所述第二自由曲面镜出射的光束的光路上，用于采集自所述第二自由曲面镜出射的光束，形成对应的光谱图像。

可选的，所述第一自由曲面镜为Zernike自由曲面，所述Zernike自由曲面的表达式为：

其中，为所述Zernike自由曲面的表达式，其中第一项表示Conic曲面，具有旋转对称性，第二部分表示Zernike多项式，被化解为Zernike多项式的径向坐标ρ，以及Zernike多项式的角度坐标c为所述Zernike自由曲面的顶点的曲率，k为所述Zernike自由曲面的二次曲面系数，r为Zernike自由曲面上点相对于旋转对称轴的径向距离，N为被采用的Zernike自由曲面的表达式的项数，C_i为每取一项i时所对应的新的系数，其中i为大于1的整数。

可选的，所述第二自由曲面镜为XY自由曲面，所述XY自由曲面的表达式为：

E_i＝x^myⁿ；

i＝(m+n)²+m+3n)/2+1；