变间距凸面光栅成像光谱系统的消像散设计

发布时间：2021-07-22 08:57

　　为了在系统结构简单的前提下实现凸面光栅成像光谱仪的大相对孔径、高分辨率成像、轻小型化以及系统的易加工装调,优化设计了一种基于变间距凸面光栅的消像差凸面光栅成像光谱系统,该系统为双光学元件全反射式同心结构,克服了已有消像差结构的复杂性与应用局限性。提出了基于光栅的像差理论进行消像差的设计方法,构建了系统的几何像差理论模型,并结合罗兰圆条件分析了系统在子午与弧矢方向上的聚焦条件,建立了凸面光栅刻线间距与系统像散关系的数学模型;通过全局化的优化算法实现了对凸面光栅成像光谱仪的消像散设计。设计结果表明:该消像散的凸面光栅成像光谱系统在300～800 nm实现了相对孔径为F/2.7时极限光谱分辨力优于1.9 nm的高像质成像,可实现约201个高光谱通道,而且系统在全波段内的光学传递函数值优于0.7,对轻小型、高光谱的消像差凸面光栅成像光谱仪的研究具有重要意义。 

【文章来源】：光学精密工程. 2020,28(10)北大核心EICSCD

【文章页数】：9 页

【部分图文】：

在子午与弧矢方向的优化结果

系统在设计波长处的全视场光线追迹结果如图6所示,分辨力优于2.4 nm;如图7、图8所示,系统在600 nm处有极限分辨力1.9 nm,在800 nm处的分辨力优于3.3 nm。在系统的相对孔径为F/2.7时,对300,600,800 nm的波长分别在0,0.7和1视场处对10 μm×10 μm的物点进行光线追迹,得到的点列图如图9所示。图中,点列图是对均匀取样光线追迹的结果,实际的能量分布满足高斯分布,即光斑能量主要集中在谱线半高位置,如600 nm、0.7视场处的点列图所示,能量集中分布在直径约为10 μm的光斑范围内。整个系统的极限分辨力达1.9 nm,可实现约201个高光谱通道。图7 (600?SymbolqB@1.9)nm波长的全视场光线追迹结果

凸面光栅作为Offner同心成像光谱系统的关键色散元件,同时又处于分光系统的光阑位置,决定着成像光谱仪的光学性能。为了得到高像质、高分辨率、低加工成本以及低装调难度的标准Offner成像光谱系统(如图3所示),本文通过优化凸面光栅刻线间距的设计方法,以减小并均衡不同波长的光线因色散不对称性引入的系统像散。在该设计中,凸面光栅G和凹面反射镜M均为球面,且其球心位于同一坐标处,两光学元件共轴,简化了系统结构。其中,狭缝尺寸为10 mm×10 μm,凸面光栅的曲率半径为R=100 mm,光栅中心点处的刻线密度为100 gr/mm,光栅口径约为30 mm×30 mm,光栅衍射级次为-1级,反射镜M的曲率半径为R1=R2=193.2 mm,主光线在光栅上的入射角为θ=30°,光谱波段为300～800 nm。以上述参数为结构优化设计的基本结构参数,为实现对多变量非线性目标函数的全局优化,选用高效率的遗传算法进行优化,并通过多组优化结果的对比筛选出最优的设计结果。

【参考文献】：
期刊论文
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本文编号：3296846