一种基于Dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统的制作方法

本发明涉及光谱成像，尤其涉及一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统。

背景技术：

1、以光栅作为色散元件的光谱成像技术在物质无损检测、医药、生产制造、军事伪装目标侦察和智能识别等领域方面有着非常重要的应用价值。目前光谱仪通常存在体积大，结构复杂，装调难度大等问题，上述问题通常由于使用不同光栅类型决定。常用的光栅类型主要有平面光栅、凸面光栅和凹面光栅，其中应用最广的设计形式是offner成像光谱仪和dyson成像光谱仪，其中offner结构采用凸面光栅，dyson结构采用凹面闪耀光栅，凸面光栅和凹面光栅的加工难度大，装调难度大，价格较高。其中平面光栅由于刻划工艺成熟更是得到了广泛的应用。

2、公告号为cn111678598b的中国专利公开了一种dyson曲面棱镜光谱成像系统，所述系统包括狭缝、dyson透镜、凸透镜、凹透镜、第一曲面棱镜、第二曲面棱镜和探测器，所述凸透镜和凹透镜位于所述dyson透镜和所述第一曲面棱镜之间；所述第一曲面棱镜和第二曲面棱镜的前后表面均为球面，但光轴并不在一条直线上，两个曲面棱镜具有不同的折射率阿贝数，且夹角倾斜方向不同；所述第二曲面棱镜的后表面作为整个系统的孔径光阑，并在整个后表面镀制反射膜层。但是上述对比文件方案采用dyson透镜配合多块折射透镜和曲面棱镜实现色散与成像，对不同玻璃材料色散特性高度敏感、像差校正自由度受限，导致在宽波段下的光谱分辨率和成像质量较差。因此，提供一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统，来提升光谱分辨率和成像质量，是非常有必要的。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统。

2、本发明提供了一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统，包括沿光轴由物侧至像侧依次设置的入射狭缝、第一透镜组、第一平面反射镜、第二透镜组、平面反射光栅、第二平面反射镜以及面阵探测器，其中，

3、由所述入射狭缝入射的各波长光束经所述第一透镜组会聚后射向所述第一平面反射镜，并由所述第一平面反射镜反射至所述第二透镜组，经所述第二透镜组会聚的光束在所述平面反射光栅处色散分光，经色散后的各波长光束再次经过所述第二透镜组、所述第一平面反射镜以及所述第一透镜组进行回返，并会聚至所述第二平面反射镜，经所述第二平面反射镜折转后形成二维展开的光谱像并成像至所述面阵探测器；

4、所述平面反射光栅高光谱成像光学系统满足以下条件式：

5、2.0＜f22/f11＜3.6；

6、6.75＜1000×f12/d＜7.2；

7、3.3°≤θ≤4.3°；

8、其中，f11表示所述第一透镜组的焦距，f22表示所述第二透镜组的焦距，d表示光栅常数，f12表示所述第一透镜组与所述第二透镜组的组合焦距，θ表示所述平面反射光栅的入射角度。

9、在以上技术方案的基础上，优选的，所述第一透镜组包括具有负屈折力的第一透镜、具有正屈折力的第二透镜以及具有正屈折力的第三透镜，所述第一透镜、所述第二透镜以及所述第三透镜沿光轴由物侧至光栅面侧依次设置。

10、在以上技术方案的基础上，优选的，所述第一透镜的物侧面近光轴处为凹面，所述第一透镜的像侧面近光轴处为凹面，且所述第一透镜中物侧面的曲率半径小于所述第一透镜中光栅面侧的曲率半径。

11、更进一步优选的，所述第二透镜的物侧面近光轴处为凹面，所述第二透镜的像侧面近光轴处为凸面，且所述第二透镜中物侧面的曲率半径大于所述第二透镜中光栅面侧的曲率半径。

12、更进一步优选的，所述第三透镜的物侧面近光轴处为凸面，所述第三透镜的像侧面近光轴处为凸面，且所述第三透镜中物侧面的曲率半径大于所述第三透镜中光栅面侧的曲率半径。

13、更进一步优选的，所述第一透镜组满足以下条件：

14、0.2≤|f1/(f2+f3)|≤0.26；

15、0.75≤|(r11+r12)/(r11-r12)|≤0.95；

16、其中，r11表示第一透镜物面侧的曲率半径，r12表示第一透镜光栅面侧的曲率半径，f1表示第一透镜的焦距，f2表示第二透镜的焦距，f3表示第三透镜的焦距。

17、更进一步优选的，所述第二透镜组包括具有正屈折力的第四透镜和具有负屈折力的胶合透镜，所述第四透镜和所述胶合透镜沿光轴由物侧至光栅面侧依次设置。

18、更进一步优选的，所述第四透镜的物侧面近光轴处为凸面，所述第四透镜的像侧面近光轴处为凸面，且所述第四透镜中物侧面的曲率半径大于所述第四透镜中光栅面侧的曲率半径。

19、更进一步优选的，所述第二透镜组满足以下条件：

20、0.8≤|(r41+r42)/(r41-r42)|≤1.1；

21、0.4≤|f4/f5|≤0.5；

22、其中，r41表示第四透镜物面侧的曲率半径，r42表示第四透镜光栅面侧的曲率半径，f4表示第四透镜的焦距，f5表示胶合透镜的焦距。

23、更进一步优选的，所述第一透镜组的主光轴与所述第二透镜组的主光轴垂直。

24、本发明提供的一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统相对于现有技术具有以下有益效果：

25、（1）采用dyson对称回返光路，入射光束在第一、第二透镜组及第一平面反射镜上往返两次，系统像差得到有效对消和均衡，提高了全视场内的mtf和点像质量，通过限定焦距比合理匹配前后透镜组的放大倍率和出瞳位置，兼顾空间分辨率与视场，同时抑制边缘场像差，避免因放大倍数过大或过小引起的像质劣化，避免色散过小导致谱线压缩、分辨率不足，并且通过第一平面反射镜对光路折转，实现折叠式dyson结构，在保证有效焦距和通光口径的前提下显著缩短系统物理长度，同时保持较小的入射倾角，降低因大入射角带来的像差与偏振效应，提高光栅衍射效率和通光能量，有利于减小谱线弯曲及像散，提高光谱成像均匀性，从而提升光谱分辨率和成像质量。

26、（2）第一透镜组的焦距f11和第二透镜组的焦距f22，满足2.0＜f22/f11＜3.6，防止光线走势坡度过大，减小系统敏感性，有利于实现小像差、小畸变光谱系统，也降低了后端光线入射至光栅面的入射角，也同步减小系统透镜组口径，有利于后续装配调试，第一透镜组和第二透镜组的组合焦距f12与光栅常数d满足6.75＜1000×f12/d＜7.2，在面阵探测器已知下，不仅能控制系统光谱分辨率大小，利于系统小型化，也可以实现小f数系统。

1.一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统，其特征在于，包括沿光轴由物侧至像侧依次设置的入射狭缝、第一透镜组(1)、第一平面反射镜(2)、第二透镜组(3)、平面反射光栅(4)、第二平面反射镜(5)以及面阵探测器(6)，其中，

2.如权利要求1所述的一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜组(1)包括具有负屈折力的第一透镜(11)、具有正屈折力的第二透镜(12)以及具有正屈折力的第三透镜(13)，所述第一透镜(11)、所述第二透镜(12)以及所述第三透镜(13)沿光轴由物侧至光栅面侧依次设置。

3.如权利要求2所述的一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜(11)的物侧面近光轴处为凹面，所述第一透镜(11)的像侧面近光轴处为凹面，且所述第一透镜(11)中物侧面的曲率半径小于所述第一透镜(11)中光栅面侧的曲率半径。

4.如权利要求2所述的一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统，其特征在于，所述第二透镜(12)的物侧面近光轴处为凹面，所述第二透镜(12)的像侧面近光轴处为凸面，且所述第二透镜(12)中物侧面的曲率半径大于所述第二透镜(12)中光栅面侧的曲率半径。

5.如权利要求2所述的一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统，其特征在于，所述第三透镜(13)的物侧面近光轴处为凸面，所述第三透镜(13)的像侧面近光轴处为凸面，且所述第三透镜(13)中物侧面的曲率半径大于所述第三透镜(13)中光栅面侧的曲率半径。

6.如权利要求1所述的一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜组(1)满足以下条件：

7.如权利要求1所述的一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统，其特征在于，所述第二透镜组(3)包括具有正屈折力的第四透镜(31)和具有负屈折力的胶合透镜(32)，所述第四透镜(31)和所述胶合透镜(32)沿光轴由物侧至光栅面侧依次设置。

8.如权利要求7所述的一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统，其特征在于，所述第四透镜(31)的物侧面近光轴处为凸面，所述第四透镜(31)的像侧面近光轴处为凸面，且所述第四透镜(31)中物侧面的曲率半径大于所述第四透镜(31)中光栅面侧的曲率半径。

9.如权利要求1所述的一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统，其特征在于，所述第二透镜组(3)满足以下条件：

10.如权利要求1所述的一种基于dyson结构的平面反射光栅高光谱成像光学系统，其特征在于，所述第一透镜组(1)的主光轴与所述第二透镜组(3)的主光轴垂直。