CN100545697C - 微型超光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光学成像和精细光谱分析的光学系统，特别涉及一种集成像与分光技术于一体的光谱成像系统，它由主镜、凸球面全息光栅和三镜三个共轴同心的球面光学元件构成，采用全反射对称结构，几何像差小，且物、像方均满足远心光路，接收器件表面照度均匀。为保证系统的同轴度、同心性和长时期使用后的稳定性，本发明采用将光学系统进行模块化设计，系统由两块相同材料的普通玻璃胶合而成，大大降低了产品成本，提供了一种像质好、加工装调简单、体积小、稳定性好、光谱分辨率高、成本低且便于携带的适用于航天、生物医学领域或验钞机等民用的超光谱成像仪。

Description

微型超光谱成像系统

技术领域

本发明涉及一种用于光学成像和精细光谱分析的光学系统，特别涉及一种集成像与分光技术于一体的成像光谱仪。

背景技术

人们对光谱仪器的研究已经有了近一百五十年的历史，从1859年基尔霍夫和本生创造第一台摄谱仪至今，光谱仪器的发展大致经历了三个阶段。第一台光谱仪器的诞生是光谱仪器研制第一阶段的开始，这个阶段主要是对光谱进行定性分析，主要工作是研制了后来在实验室光谱仪器中使用的色散系统的基本型式。第二阶段的研制始于19世纪30年代，开始将实验室内积累起来的经验运用于工业部门和地质勘探之中，创造出了在实验室、工厂和野外条件下光谱定量分析用的成批生产的光谱仪器和装置。第三阶段光谱仪器的特点是测量自动化和按照专用要求的最优化，对仪器每个部件的要求，从照明部分开始到自动记录器为止，要选择得使整台仪器与所提出的任务很好适应，同时根据信息理论进行光谱仪器特性的计算。

近年来，随着各国经济、军事实力的增强，人们越来越关注和重视对航天、生物以及医学等领域的研究，光谱成像是随之发展起来的一种新型光学成像系统。它可以用来获取包括两维空间信息和一维光谱信息的三维图像。对于探测目标结构及其变化，具有特殊的识别能力，适用于军事、民用、陆地、海洋等卫星，可以为不同用户提供大量的遥感图像。对于军事应用具有特别重要的意义，能用来识别伪装、检测化武、潜艇及水下危险物体探测等；也可用于环境、生态、作物、灭害、地质、资源、大气等的分析、分类、预报评估等。

超光谱成像系统不仅在航天、军事等领域起着必不可少的重要作用，在许多重要的民用领域内的应用也正在不断扩展。而目前已有的报导中所介绍的超光谱成像系统，一般都采用离轴的反射系统，这类系统除了对反射镜的面形加工、镀膜要求高之外，最关键的是整个系统的装调和测试过程非常复杂，每一块反射镜的微小倾斜和偏心都会给系统的像质带来严重的影响。从设计到加工至出一个新产品，需要相当长的一个周期，价格也很昂贵，这显然不适合军事上的紧急需求，也不适合民用领域。民用领域一般需求量大、客户提出需求后希望很快出产品。因此，研制像质好、易加工、体积小、稳定性高、光谱分辨率高、成本低的成像光谱仪是十分迫切和具有广泛的应用前景的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种像质好、易加工、体积小、稳定性高、光谱分辨率高、成本低的超光谱成像系统。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案是：一种微型超光谱成像系统，它由主镜、光栅和三镜组成，其中，主镜和三镜为球面反射镜，光栅为凸球面直线槽全息光栅，它们共轴同心；按光线入射方向，相对于镜头焦距归一化时的取值范围为：-0.25≤R₂≤-0.2、-0.15≤R₃≤-0.1和-0.25≤R₄≤-0.2，其中，曲率半径R₂、R₃、R₄依次为主镜、光栅和三镜；系统满足物、像方远心。

所述的主镜与三镜的曲率半径相同，光栅的曲率半径为它们的二分之一。

所述的光栅表面最高点位于光轴上，它与主镜、三镜顶点间的距离为它们曲率半径的二分之一。所述的光栅常数为每毫米400～450线对。

所述的主镜、光栅和三镜集成于两块胶合而成的光学玻璃基底上，其中，前一块光学玻璃基底和后一块光学玻璃基底的后表面均为凸球面，后一块光学玻璃基底的前表面为凹球面；主镜位于后一块光学玻璃基底的后表面的上方，三镜位于后一块光学玻璃基底的后表面的下方，主镜和三镜均由后一块光学玻璃基底的后表面相应部位镀高反射膜构成；光栅位于前一块光学玻璃基底后表面的凸球面中心部位，它的表面最高点位于光轴上。

所述的光学玻璃基底的折射率n的取值范围为：1≤n≤2。

由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有的优点是：

成像光谱系统重量体积超轻小，符合航天用有效载荷轻小的要求；用普通光学玻璃对系统进行模块化设计，使得系统稳定性得到了很好的保证，同时，其生产成本也大大降低，适合于批量生产，适用于如验钞机等对成像光谱分辨技术要求较高的设备；系统采用全反射同心对称结构，几何像差小，且物、像方均满足远心光路，接收器件表面照度均匀。

附图说明

图1是本发明实施例一所述的光学系统的结构示意图；

图2是本发明实施例一所述的光学系统的光路示意图；

图3是本发明实施例一所述的光学系统的光线追迹点列图；

图4是本发明实施例一所述的光学系统的畸变曲线图；

图5是本发明实施例一所述的光学系统的场曲/像散曲线图；

图6本发明实施例一所述的光学系统能量集中度曲线图；

图7是本发明实施例一所述的光学系统在接收器件表面上的相对辐照度分布曲线图；

图8是本发明实施例一所述的光学系统调制传递函数曲线。

其中：1为入射狭缝；2为主镜；3为光栅4为三镜；5为接收器平面(像平面)；6为两块光学玻璃基底的胶合面；7为光学玻璃基底的后表面；8为光轴(即对称轴)；9为入射光线方向主光线；10、11和12为不同波长的成像光束像方主光线；13为前一块光学玻璃基底；14为后一块光学玻璃基底；O点为主镜、光栅及三镜的曲率中心。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方案作进一步的阐述。

实施例一：

图1是本实施例光学系统的结构示意图，系统的F数F/No.＝2.6，工作波长在可见光范围内。

参见附图1，光谱成像系统由主镜2、光栅3和三镜4组成，为保证系统的同轴度、同心性和长时期使用后的稳定性，本发明采用将光学系统进行模块化设计，系统集成于两块胶合而成的光学玻璃基底13和14上，6为两块光学玻璃基底的胶合面，其中，前一块光学玻璃基底13和后一块光学玻璃基底14的后表面均为凸球面，玻璃基底14的前表面为凹球面；入射狭缝1为一个1500×100微米的矩形，位于玻璃基底13的前表面上方，接收器平面(像平面)5位于玻璃基底的前表面下方，主镜和三镜由玻璃基底14的后表面7的上、下相应部位镀高反射膜构成，光栅位于玻璃基底13的凸球面中心部位，它的表面最高点位于光轴8上，且与主镜、三镜共轴同心，曲率中心为O点，整个装置为一个尺寸小于30×30×30mm³的立方体。

光谱成像系统中，主镜和三镜为球面反射镜，光栅为凸球面直线槽全息光栅，该光学系统的有关参数如下：焦距105mm，主镜与三镜的曲率半径相同，光栅的曲率半径为它们的二分之一，即主镜曲率半径为-25mm，光栅曲率半径为-12.5mm，三镜曲率半径为-25mm；相对于镜头焦距归一化时的曲率半径依次分别为R₂＝-0.238，R₃＝-0.119，R₄＝-0.238；四个间隔按顺序分别为：狭缝与主镜的间距25mm，主镜与光栅的间距-12.5mm，光栅与三镜的间隔12.5mm，三镜与像面的间隔-25mm。光栅常数为400lp/mm，两块玻璃基底的材料折射率为1.5。

图2为本实施例光学系统的光路示意图，它的光路设计基于Offner中继系统，入射光线方向主光线9平行于光轴8，形成物方远心；不同波长的成像光束像方主光线10、11和12均平行于光轴，形成像方远心，接收器平面(像平面)5上照度分布均匀。图中，入射狭缝1是由光谱系统的前置系统对物体所成的像(前置系统未具体给出)，物体在狭缝处的像经过光谱系统，最后以1∶1成到接收器平面上，不同波长的像均匀分布在其上。按光线入射方向，从入射狭缝到达主镜2，由主镜会聚到凸球面直线槽全息光栅3，光栅再对会聚光束发散并将不同波长的光分开，经该光栅分开后的光束到达三镜4，由三镜将不同波长的光分别会聚到接收器平表面，实现了1∶1成像的同时将不同光谱的像进行了分离。

参见附图3，它是光线通过本实施例所述的光学系统的光线追迹点列图，即入射狭缝经过光谱仪分光成像后在接收平面上的情况，图3中几个不同波长在不同视场处的圆表示Airy斑，由图可见，像面上不同波长的各视场处的点列图都落在Airy斑以内，表明该光学系统具有衍射理论极限的聚焦特性。

本实施例所述的光学系统畸变用栅格图表示如图4所示，图中，网格结点为理想像点所在位置，十字叉表示实际成像点位置，本实施例光学系统的畸变(实际像点与理想像点的偏离理想像点位置的百分比)最大值是0.1078％，它的畸变值完全满足于光谱分析时的畸变要求。

参见附图5，它是本实施镜头的场曲、像散曲线图，横坐标表示场曲像散值，纵坐标是归一化视场，图中的两条曲线S和T分别表示弧矢和子午两个面内的场曲，两曲线之间的差值即像散值。由于本发明的特殊性，入射狭缝(即成像光谱仪的视场)是一个两维的矩形条，图A和图B分别给出了沿矩形两个方向上的在场曲、像散曲线，由图可见，像散值在像差容限范围内。

参见附图6，它是本实施例所述的光学系统的能量集中度曲线，由图6可见，80％以上的能量集中在Airy斑范围内。

参见附图7，它是本实施例所述的光学系统在接收器件表面上的相对辐照度分布曲线图，由于系统满足像方远心，从图中曲线可以看出，像面照度分布十分均匀，边缘照度没有任何下降。

参见附图8，它是本实施例所述的光学系统的调制传递函数曲线，由图可以看出，该光学系统具有衍射极限的成像性能。

本实施例所提供的光学系统中，主镜和三镜对成像光束起会聚作用，光栅对其起发散和分光作用，系统满足物、像方远心的特点，用于光学成像和精细光谱分析的光学系统，它是一种集成像与分光技术于一体的成像光谱系统。

实施例二：

本实施例中，系统结构参见实施例1，F数F/No.＝2.5，工作波长在可见光范围内。

光学系统的其余参数如下：入射狭缝为一个2000×200微米的矩形，光栅常数为420lp/mm，玻璃材料折射率为1.6。系统焦距为115mm，主镜的曲率半径为-27mm，光栅的曲率半径为-13.5mm，三镜的曲率半径为-27mm，相对于镜头焦距归一化时的曲率半径分别为R₂＝-0.235，R₃＝-0.117和R₄＝-0.235。狭缝1与主镜2的间距为27mm，主镜2与光栅3的间距为-13.5mm，光栅3与三镜4的间隔为13.5mm，三镜4与像面5的间隔为-27mm。

Claims (5)

1.一种微型超光谱成像系统，其特征在于：它由主镜、光栅和三镜组成，其中，主镜和三镜为球面反射镜，光栅为凸球面直线槽全息光栅，它们共轴同心；按光线入射方向，相对于镜头焦距归一化时的取值范围为：-0.25≤R₂≤-0.2、-0.15≤R₃≤-0.1和-0.25≤R₄≤-0.2，其中，曲率半径R₂、R₃、R₄依次为主镜、光栅和三镜；系统满足物、像方远心；所述的主镜、光栅和三镜集成于两块胶合而成的光学玻璃基底上，其中，前一块光学玻璃基底和后一块光学玻璃基底的后表面均为凸球面，后一块光学玻璃基底的前表面为凹球面；主镜位于后一块光学玻璃基底的后表面的上方，三镜位于后一块光学玻璃基底的后表面的下方，主镜和三镜均由后一块光学玻璃基底的后表面相应部位镀高反射膜构成；光栅位于前一块光学玻璃基底后表面的凸球面中心部位，它的表面最高点位于光轴上。

2.根据权利要求1所述的一种微型超光谱成像系统，其特征在于：所述的主镜与三镜的曲率半径相同，光栅的曲率半径为它们的二分之一。

3.根据权利要求1所述的一种微型超光谱成像系统，其特征在于：所述的光栅表面最高点位于光轴上，它与主镜、三镜顶点间距为它们曲率半径的二分之一。

4.根据权利要求1所述的一种微型超光谱成像系统，其特征在于：所述的光栅常数为每毫米400～450线对。

5.根据权利要求1所述的一种微型超光谱成像系统，其特征在于：所述的光学玻璃基底的折射率n的取值范围为1≤n≤2。

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