[发明专利]一种光谱仪光学系统及其设计方法

说明书

本发明提供了一种光谱仪光学系统设计方法，包括搭建全反射式光学系统为所述光谱仪光学系统的基础结构；选择球面反射镜作为光谱仪的主镜；选择凸表面为变形光阑的凸面光栅作为所述光谱仪的次镜，所述变形光阑的子午轴不与所述光谱仪的主光轴重合；选择自由曲面反射镜作为所述光谱仪的三镜；利用该方法设计的自由曲面光谱仪具有子午光瞳与弧矢光瞳不等的椭圆形光瞳，相比于传统设计方法，该设计结果可以提高能量收集能力40％以上；在不增加任何光学元件的基础上获得同时实现大视场和大数值孔径的设计需求。

技术领域

本发明属于光谱仪技术领域，具体涉及一种具有大视场、大数值孔径的自由曲面光谱仪光学系统及其设计方法。

背景技术

现有技术中的光谱仪为实现大数值孔径或大视场的紧凑型光谱仪的技术途径。典型的技术方式有以下几种：

第一种、在Offner光路中添加一块弯月透镜实现大数值孔径设计。如图2所示，弯月镜位于光谱仪狭缝和像面前，贯穿入射臂和汇聚臂。弯月镜的使用可以实现大数值孔径的设计，在入射臂的弯月透镜起到了发散光路的作用，降低了光线在主镜的入射角度。同时，弯月镜的增加又可以提供三个有效变量，达到校正系统像差的作用。但是，大尺寸弯月镜的使用极大的增加了系统的重量，同时给机械安装增加了复杂性。在这样的光路中容易发生多次反射，从而形成鬼像。在实际设计中，往往会使弯月镜位置与光栅重合，达到简化结构的目的。但是，该位置并不是最佳位置，这样的设计结果是折衷的选择。该结构方式在对系统体积和重量要求较高的设计中无法使用。

第二种、使用具有复杂面型的凸面光栅实现大数值孔径设计。传统凸面光栅的基础面型是球面，复杂面型的凸面光栅的基础面是在球面的基础上叠加了复杂面型。具有复杂面型的凸面光栅相比于传统凸面光栅可以提供更多像差校正，在实现紧凑型设计时可以获得最佳的像质。但是该方法所涉及的复杂面型凸面光栅的设计处于保密状态，且目前国内关于此种具有复杂面型高衍射效率的凸面光栅制作无法完成。

第三种、使用光纤或微透镜阵列分割视场实现大视场设计。该方法可以在视场拼接后获得理论上的大视场。但是采用多镜头分割视场的方案不仅使仪器的体积和重量增大，而且对镜头的位置精度和镜头间的相对位置都提出了很高的要求，给机械设计和材料设计增加了困难，同时还需要解决多个通道触发一致性、均匀性和通道平衡问题。

第四种、使用自由曲面实现大视场设计。通过设计自由曲面可以校正大视场引起的严重像差。但是受限于Offner结构无遮拦设计的要求，很难同时获得较大的数值孔径。从本质上来说，自由曲面很难在两个方向同时提供像差校正能力。

发明内容

本发明为了解决现有光谱仪无法同时具备大视场和大数值孔径的技术缺陷，提出了一种光谱仪光学系统及其设计方法，通过合理的设计光瞳形状，增加系统的数值孔径，同时实现了大视场与大数值孔径的设计。为实现上述目的，本发明采用以下具体技术方案：

一种光谱仪光学系统，包括

入射狭缝、球面反射镜、凸面光栅、自由曲面反射镜和探测器；

所述入射狭缝设置于光谱仪的进光口，用于为光谱仪提供物像；

球面反射镜位于入射狭缝之后，用于反射经入射狭缝入射的平行光；

凸面光栅位于球面反射镜的反射光路上，凸面光栅包括变形光阑，变形光阑用于增大光谱仪光学系统的数值孔径；

自由曲面反射镜位于凸面光栅的反射光路上，用于增大光谱仪光学系统的视场，同时对光谱仪光学系统的像差进行校正和补偿；

探测器位于光谱仪光学系统的像面处，用于接收自由曲面反射镜反射的光束并成像。

优选地，凸面光栅为矩形凸面光栅。

优选地，变形光阑为椭圆形光阑，变形光阑的长轴方向与入射狭缝的长度方向相同。