宽谱段共光轴线色散成像光谱仪三棱镜分光系统设计

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1、第卷第期年月宽谱段共光轴线色散成像光谱仪三棱镜分光系统设计英，张晓龙，李灿，王健，李淳，孙中国科学院长舂光学精密机械与物理研究所吉林长春中国科学院大学北京青岛滨海学院山东青岛摘要针对棱镜型成像光谱仪结构复杂具有严重的色散不均匀性进行了共光轴线色散棱镜式宽谱段成像光谱仪研究利用棱镜的色散公式建立了对称型三棱镜组合分光结构的数学模型获得了满足直视结构的棱镜组合并在此基础上分析影响棱镜组色散线性因素棱镜材料的折射率和色散率对棱镜组线色散影响比较大入射角度对其影响比较小并提出改善色散线性的方法获得了满足线色散要求的棱镜组合的折射率条件从而为共光轴结构的线色散棱镜式成像光谱仪初始结构的选择提供了堇要

2、理论依据在工作波段为中心波长偏向角为最大色散角为光谱仪系统数值孔径为光谱分辨率为条件下实现共光轴三棱镜分光系统的线色散设计最后利用进行了模拟分析表明理论计算结果与实际仿真结果基本相符关键词三棱镜组合线色散共光轴直视结构宽谱段成像光谱仪中图分类号：文献标识码：DOI：Z(>收稿日期：，修订曰期：基金项目：国家自然科学基金重点项目国家重大科学仪器设备开发专项资助作者简介:刘兵女年生中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生通讯联系人引言成像光谱仪由于能够同时获得目标的图像信息和光谱信息而广泛应用在航空航天器等观测系统中按照工作原理的不同成像光谱仪分为色散型滤波片型干涉型和计算层析型目前应

3、用最广泛的是色散型成像光谱仪色散型光谱仪由于色散元件的不同可以归纳为棱镜分光光栅分光和棱镜光栅组合分光利用光栅作为分光元件存在很大的局限性例如光栅系统在宽谱段分光时存在谱线賣加问题光栅是衍射分光故实际能呈利用率只能达到总能呈的由于制作工艺的限制杂散光比较多加工难度相对比较大等问题应用棱镜作为分光元件便可以很好的解决此类问题像意大利航天局的欧空局的上海技物所的海洋水色成像仪都成功应用棱镜实现了宽谱段无重叠线性分光但是只有三棱镜组合才能实现共轴光路中心波长出射光束与入射光束位移为设计为仪器的装调带来极大的方便同时也能实现色散线性但是目前尚未有具体的针对于三棱镜组的相关理论计算方法针对于此本文从

4、三棱镜组的特性出发理论计算棱镜组线色散条件对直视型对称结构棱镜组进行分析提岀共轴光路的条件在光束小角度入射的前提下根据选定材料分析计算棱镜组的结构再通过迭代算法进行优化设计最终设计了共轴性好色散线性化程度高的直视型对称结构棱镜组结合数据进行分析探究棱镜组实现色散线性的方法最后利用软件验证所设计的有效性和可靠性三棱镜系统参数确定成像光谱仪系统由前置望远物镜和光谱成像系统组成前置望远物镜将目标成像在狭缝上再经过光谱成像系统准直分光成像在探测器上设定准直系统和成像系统的焦距为对于光谱仪系统为了保证设计的方便性一般做成放大倍率为的成像系统光谱成像系统的数值孔径为为了获取足够的目标能呈前置望远物镜的

5、一般取按公式计算得到以保证光谱系统与前置望远物镜光瞳相匹配鉴于可见近红外波段是地同时保证线色散以及仪器FigiImagingspectrometersystem其中根据玻璃的下i公式可以推导出m表达式如入面目标的主要反射谱段同时也是许多卫星遥感器扫描成像的常用波段因此文中选择系统的工作波段为实现光谱分辨率为的结构紧凑表1共光轴直视型棱镜组设计参数TabicICoaxialdircctsymmctricalstructureprismsparamaters参数值光谱范围色散角中心波长偏离角岀射光束与入射光束光轴偏移员棱镜组线色散计算以及共光轴直视型棱镜组结构计算本文从棱镜组的特性岀发建立与光

6、束角度棱镜组顶角棱镜折射率以及棱镜材料相关的线色散表达式理论计算直视型棱镜组共光轴条件在此前提下建立三棱镜组的结构模型并且利用迭代算法进行优化最终得到满足线色散的共光轴直视型对称结构棱镜组21三棱镜系统线色散表达式推导三棱镜分光系统如图所示光束从左侧入射右侧出射棱镜顶角分别为aex(X顶角a丫p顶角act类似规定顶角向上为正向下为负i为入射角。为入射光束与光轴夹角f为出射角0为出射光束与光轴夹角棱镜材料折射率分别为nnnttt分别为三棱镜在光轴上距离y为中心波长出射光束与入射光束偏移員出射光束相对入射光束的夹角为偏向角6则知<>=S4S45^0—0=i—i——

7、偏向角与短波偏向角之差为色散角A则知△入一b入fx—ix镜组中心波长偏向角为出射光束与入射光束的光轴偏移量为如图所示其中入为入为入为综上分析表给岀了共光轴直视型成Fi弹Prismdispersionsystemsschematicdiagram顶角和入射角为常数则推导出三棱镜的角色散率丿公式入_[C一入其中BBBC卜C一入+C一入]mCC是玻璃折射率公式中系数将式带入式求得棱镜组的色散角偏向角§对波长入的导数为角色散率对