基于自由曲面的紧凑型宽波段成像光谱仪设计

Abstract

针对基于传统光学元件的成像光谱仪，在实现大视场与宽波段的同时难以满足结构紧凑的问题，在Offner成像光谱仪的第三反射镜引入圆锥曲面叠加条纹泽尼克多项式表征的自由曲面。基于矢量像差理论，分析了四阶以下的泽尼克多项式在系统中引入的像散与系统视场、波长的关系，通过选取合理的多项式叠加到圆锥曲面，设计了一款工作于可见光到短波红外波段（400~2500 nm）、体积仅42 mm×82 mm×100 mm的成像光谱仪。系统实现了双波段探测，来自两个不同宽度狭缝的光线经光栅分光后，通过分束器将工作波段分为可见近红外（400~1000 nm）和短波红外（1000~2500 nm），优化设计结果表明，光谱分辨率分别为2.8 nm和4 nm，成像质量良好，为实现宽波段紧凑型成像光谱仪的设计提供了理论参考。