CN102410878A - 一种成像光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明实施例提供一种成像光谱仪，包括：第一棱镜和第二棱镜，其中，第一棱镜包括一个凹面和一个凸面，第二棱镜包括：一个凹面和一个凸面，第一棱镜的凸面和第二棱镜的凹面胶合在一起，在第一棱镜的凸面和第二棱镜的凹面上形成的区域为胶合面，在胶合面和第二棱镜的凹面的边缘之间有一个接收入射光线的第一区域，在胶合面和第二棱镜的凹面的另一侧边缘之间有一个出射光线通过的第二区域，第一棱镜包括一个在第一棱镜的凹面上镀内反射膜而形成的第一反射面，第二棱镜包括一个在第二棱镜的凸面上镀内反射膜而形成的第二反射面。本发明实施例提供的成像光谱仪仅包含两块胶合在一起的棱镜，结构简单，易装调和测试，研制周期短，成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术，尤其涉及一种成像光谱仪。
背景技术
利用光谱成像技术能够同时获取目标的二维空间图像信息和一维光谱信息。二维空间图像信息和一维光谱信息分别能直观地反映被测目标的几何形貌和被测目标的理化属性，可以将该光谱成像技术作为一种图谱结合的探测手段。上个世纪八十年代以来，光谱成像技术开始被广泛应用于航天航空遥感成像。通过飞行器搭载，在矿产与石油资源探测、水质及大气污染监测、精准农业和林业等领域取得了瞩目成就。目前，这项技术已经逐步渗透到生物医学、艺术品防伪鉴定、食品安全监测、疾病的控制与治疗等民用领域，获得了越来越广泛的研究与运用。
光谱成像技术从原理上分，主要有：色散型、干涉型、滤光片型、计算层析型和衍射光学元件型等。其中，色散型成像光谱仪是最早提出并获得实用化的成像光谱仪器，它具有原理简单、易于实现等优点，包含棱镜色散和光栅色散两种基本的结构形式。
图1示出了现有的透射式棱镜色散成像光谱仪的结构。如图1所示，该成像光谱仪包括：前置物镜、准直镜、复合棱镜、成像镜、狭缝和探测器。通过狭缝的光线依次通过准直镜、复合棱镜和成像镜的透射后最终被探测器接收。在此类系统中，需要在宽谱段范围内校正空间维像差，尤其是要复消色差，这就要求在准直镜和成像镜中设置多个不同面形的透镜。
由上可见，由于准直镜和成像镜均需校正宽谱段内多种像差，需要引入多组透镜，使得镜头结构复杂，必然会导致整个系统的装调和测试困难、研制周期长和成本高。每一块棱镜的微小倾斜和偏心都会给系统的图像质量带来严重的影响，必然会使整个系统的稳定性降低。由于光线要经过多组透镜才能到达探测器，每次折射都会带来光能的损失，必然会导致系统光能利用率低。此外，传统三棱镜色散还会带来谱线弯曲等问题。
发明内容
有鉴于此，本发明实施例提供一种结构简单、易装调的成像光谱仪，用于降低系统的装调和测试的难度，缩短研制周期和降低成本。
本发明实施例提供一种成像光谱仪，包括：第一棱镜和第二棱镜，其中，所述第一棱镜包括一个凹面和一个凸面，所述第二棱镜包括：一个凹面和一个凸面，所述第一棱镜的凸面和所述第二棱镜的凹面胶合在一起，在所述第一棱镜的凸面和所述第二棱镜的凹面上形成的区域为胶合面，在所述胶合面和所述第二棱镜的凹面的边缘之间有一个接收入射光线的第一区域，在所述胶合面和所述第二棱镜的凹面的另一侧边缘之间有一个出射光线通过的第二区域，所述第一棱镜包括一个在所述第一棱镜的凹面上镀内反射膜而形成的第一反射面，所述第二棱镜包括一个在所述第二棱镜的凸面上镀内反射膜而形成的第二反射面，其中，所述第一反射面的曲率半径为R1，所述第一棱镜的凸面、所述第二棱镜的凹面和所述胶合面有相同的曲率半径R2，所述第二反射面的曲率半径为R3，按光线的入射方向，相对于镜头焦距对上述R1，R2和R3归一化时得到的数值范围为：-0.1≤R1＜-0.05，-0.1＜R2≤-0.05，-0.2≤R3≤-0.1，所述胶合面的曲率中心和顶点在光轴上，所述第一反射面和所述第二反射面的曲率中心相对于所述光轴的偏心距离分别为D1和D2，相对于镜头焦距对上述D1和D2归一化时得到的数值范围为：0＜|D1|≤0.03，0＜|D2|≤0.03。
在本发明一较佳实施例中，所述胶合面与光轴的交点到所述第一反射面与光轴的交点之间的距离为T1，所述胶合面与光轴的交点到所述第二反射面与光轴的交点之间的距离为T2，其中，相对于镜头焦距对上述T1和T2归一化时得到的数值范围为：0.05＜T1≤0.2，0.01＜T2≤0.03。
在本发明一较佳实施例中，所述第一棱镜和第二棱镜采用的材料为光学玻璃或者晶体材料，所述第一棱镜和第二棱镜所采用的材料的折射率分别为n1和n2，其中，1＜n1＜2，1＜n2＜2。
在本发明一较佳实施例中，所述第一棱镜的凹面、第一棱镜的凸面、第二棱镜的凹面和第二棱镜的凸面为球面或者非球面。
在本发明一较佳实施例中，所述n2＞n1，所述第一棱镜所采用的材料的阿贝数大于所述第二棱镜所采用的材料的阿贝数。
在本发明一较佳实施例中，所述第一棱镜和第二棱镜包括三棱镜。
由上可见，本发明实施例提供的成像光谱仪仅包含按上述要求胶合在一起的第一棱镜和第二棱镜，与现有技术中的包含准直镜，复合棱镜和成像镜的成像光谱仪相比，本发明实施例提供的成像光谱仪结构简单，容易装调和测试，能够在一定程度上缩短研制周期，降低成本。
附图说明
图1为现有的透射式棱镜色散成像光谱仪的结构示意图；
图2为本发明实施例的成像光谱仪的结构示意图；
图3为本发明实施例的包含图2所示成像光谱仪的光学成像系统的结构示意图；
图4为图3所示的光学成像系统的光路示意图；
图5为光线通过图3所示的光学成像系统得到的光线追迹点列图；
图6为图3所示的光学成像系统的能量包围曲线图；
图7为图3所示的光学成像系统的传递函数曲线图。
图中：
1：第一棱镜2：第一反射面3：胶合面4：第二棱镜5：第二反射面6：光轴7：物点8：探测器
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并列举实施例，对本发明进一步详细说明。
图2为本发明实施例的成像光谱仪的结构示意图。如图2所示，该成像光谱仪包括：第一棱镜1和第二棱镜4。其中，该第一棱镜1包括一个凹面和一个凸面，该第二棱镜4包括一个凹面和一个凸面。该第一棱镜1的凸面和该第二棱镜4的凹面胶合在一起，在该第一棱镜1的凸面和第二棱镜4的凹面上形成的区域为胶合面3。在该胶合面3和第二棱镜4的凹面的边缘之间有一个接收入射光线的第一区域，在该胶合面3和该第二棱镜4的凹面的另一侧边缘之间有一个出射光线通过的第二区域。该第一棱镜1包括一个在该第一棱镜1的凹面上镀内反射膜而形成的第一反射面2，该第二棱镜4包括一个在该第二棱镜4的凸面上镀内反射膜而形成的第二反射面5。其中，该第一反射面2的曲率半径为R1，该第一棱镜1的凸面，该第二棱镜4的凹面和该胶合面3有相同的曲率半径R2，该第二反射面5的曲率半径为R3，按照光线的入射方向，相对于镜头焦距对R1，R2和R3归一化时得到的数值范围为：-0.1≤R1＜-0.05，-0.1＜R2≤-0.05，-0.2≤R3≤-0.1。该胶合面3的曲率中心和顶点在光轴6上，该第一反射面2和第二反射面5的曲率中心相对于该光轴6的偏心距离分别为D1和D2，其中，相对于镜头焦距对D1和D2归一化时得到的数值范围为：0＜|D1|≤0.03，0＜|D2|≤0.03。
由图2所示的实施例可见，本实施例给出的成像光谱仪利用胶合在一起的第一棱镜和第二棱镜能够实现现有技术中的准直镜、复合棱镜和成像镜实现的色散和成像的功能。与现有的成像光谱仪相比，本实施例提供的光谱仪仅包含两块棱镜，因此产品结构简单，容易装调和测试，采用本发明实施例提供的成像光谱仪会相应地缩短研制周期，降低成本，易于实现轻量化及小型化的生产要求，适合于批量生产。此外，在本发明实施例中，因为仅将两块棱镜按照上述要求胶合在一起即构成本发明所述的成像光谱仪，采用的光学元件数目少，减少了出现光学元件倾斜和偏心的概率，相应地就减小了由于光学元件的倾斜和偏心而给系统的图像质量带来的不良影响，增加了系统的稳定性。本发明实施例提供的成像光谱仪采用三反射对称的结构，这种结构有助于转折光路，减小棱镜的体积，相应地可以减少光能量的损耗，提高能量的利用率，据实验验证，在可见光、近红外甚至中波红外谱段可以达到80～90％以上的利用率，此外，这种结构还可以提高色散率，能较好地校正球差、彗差和畸变等几何像差，以及现有的棱镜色散带来的谱带弯曲和谱线弯曲，因此利用该结构的成像光谱仪所成的图像的质量较好。还有，能够用于该成像光谱仪的自由光谱范围较宽，从可见光到近红外和中波红外均可以，而且不会出现光谱混叠的现象，相应地，不需要额外设计复杂的截止滤光片膜系。
在具体应用中，该第一区域位于该光轴6的一侧，该第二区域位于该光轴6的对侧。具体地，如图2所示，该第一区域位于光轴6的下方，第二区域位于光轴6的上方。
此外，在具体应用中，可以根据不同的需要设计第一棱镜和第二棱镜，假定胶合面3与光轴6的交点到第一反射面2与光轴6的交点之间的距离为T1，胶合面3与光轴6的交点到第二反射面5与光轴6的交点之间的距离为T2，相对于镜头焦距对T1和T2归一化时得到的数值范围为：0.05＜T1≤0.2，0.01＜T2≤0.03。
在实际应用中，第一棱镜1和第二棱镜4采用的材料可以是光学玻璃或者晶体材料，该第一棱镜1和第二棱镜4所采用的材料的折射率分别为n1和n2，其中，1＜n1＜2，1＜n2＜2。在具体应用中，第二棱镜4采用的材料的折射率一般大于第一棱镜1采用的材料的折射率。此外，第一棱镜1采用的材料的阿贝数一般大于第二棱镜4所采用的材料的阿贝数。在本发明实施例中，第一棱镜1和第二棱镜4可以为三棱镜。
其中，第一反射面2为将第一棱镜1的整个凹面镀内反射膜而得到的反射面，也可以是将该第一棱镜1的部分凹面镀内反射膜而得到反射面。第二反射面5为将第二棱镜4的整个凸面镀内反射膜而得到的反射面，也可以是将该第二棱镜4的部分凸面镀内反射膜而得到的反射面。
上述实施例中的第一棱镜1和第二棱镜4的凹面和凸面可以为球面，也可以为非球面。
表1示出了实际应用中设计的一个光谱仪的参数。
| 面 | 半径/mm | 玻璃材料 | 厚度/mm | X倾斜角/° |
| 第一反射面 | -34.5 | ZF3 | 60 | 17.6 |
| 胶合面 | -113.4 | 0 | ||
| 第二反射面 | -46.2 | QK3L | 10 | 3.4 |
其中，设定光线的入射方向为正，第一反射面、胶合面和第二反射面的半径均取负值。其中，X倾斜角是第一反射面、胶合面和第二反射面相对于光轴的倾斜角。
图3为本发明实施例的包含图2所示成像光谱仪的光学成像系统的结构示意图。与图2相比，图3还包括：物点7和探测器8。
其中，物点7可以为一个入射狭缝，该狭缝位于该成像光谱仪的前方。该探测器8位于该成像光谱仪的前方，且和该物点分处于光轴6的两侧。
假定物点7的中心到光轴6的垂直距离为H，0.02＜|H|≤0.08；镜头焦距是622mm，假定第一棱镜1在入射光一侧的凹面的边缘顶点到光轴6的垂直距离为H1，沿光轴对称的另一侧凹面的边缘顶点到光轴6的垂直距离为H2，满足如下关系：H1＝H-|R2|*tan a，H2＝H1-2D1，其中，a为半入射光束角，0°＜a＜15°。
图4为图3所示的光学成像系统的光路示意图。在该系统中，光线从物点7处进入，入射到第二棱镜4的凹面上在胶合面3和该凹面的边缘之间的第一区域，光线在该第一区域折射后入射到该第二棱镜4的第二反射面5上，光线经过该第二反射面5的反射后入射到胶合面3上，经过折射后入射到第一棱镜1的第一反射面2上，光线经该第一反射面2的反射后再次入射到该胶合面3上，经过折射后再次入射到第二棱镜4的第二反射面5上，经该第二反射面5的反射后入射到第二棱镜4的凹面上在胶合面3和该凹面的另一侧边缘之间的第二区域，光线在该第二区域折射后入射到探测器8上。
由于不同波长的光线入射到第一棱镜1和第二棱镜4后发生折射，且棱镜对不同波长的光线的折射率不同，根据折射定理，得到的折射角也不同，通过这种分光作用将不同波长的波的光谱信息分离开来。光线在第一棱镜1和第二棱镜4中多次发生这种分光，使得不同波长的光之间的夹角增大，最终得到物点的光谱信息。
图5是光线通过图3所示的光学成像系统得到的光线追迹点列图。如图5所示，光线通过入射狭缝7射到成像光谱仪上，经过成像光谱仪的折射和反射后被探测器8接收。图5中几个不同波长的光线在不同视场处的圆表示艾里斑，由图可见，以450nm，600nm和750nm的波长在视场0mm、3.5mm、5mm为例，可以看出，像面上不同波长的各视场处的点列图都落在艾里斑以内，表明采用该成像光谱仪的光学成像系统具有衍射理论极限的聚焦特性。
图6为图3所示的光学成像系统的能量包围曲线图。由图6可见，不考虑光路中反射、折射以及吸收造成的能量损失，探测器上的一个像元能接收到92％的光通量。
图7为图3所示的光学成像系统的传递函数曲线图。由图7可见，该光学系统在那奎斯特频率以内的成像质量均接近衍射极限。
上文通过附图和优选实施例对本发明进行了详细展示和说明，然而本发明不限于这些已揭示的实施例，本领域技术人员从中推导出来的其他方案也在本发明的保护范围之内。
Claims (6)
1.一种成像光谱仪，其特征在于，包括：第一棱镜(1)和第二棱镜(4)，其中，所述第一棱镜(1)包括一个凹面和一个凸面，所述第二棱镜(4)包括：一个凹面和一个凸面，所述第一棱镜(1)的凸面和所述第二棱镜(4)的凹面胶合在一起，在所述第一棱镜(1)的凸面和所述第二棱镜(4)的凹面上形成的区域为胶合面(3)，在所述胶合面(3)和所述第二棱镜(4)的凹面的边缘之间有一个接收入射光线的第一区域，在所述胶合面(3)和所述第二棱镜(4)的凹面的另一侧边缘之间有一个出射光线通过的第二区域，所述第一棱镜(1)包括一个在所述第一棱镜(1)的凹面上镀内反射膜而形成的第一反射面(2)，所述第二棱镜(4)包括一个在所述第二棱镜(4)的凸面上镀内反射膜而形成的第二反射面(5)，其中，所述第一反射面(2)的曲率半径为R1，所述第一棱镜(1)的凸面、所述第二棱镜(4)的凹面和所述胶合面(3)有相同的曲率半径R2，所述第二反射面(5)的曲率半径为R3，按光线的入射方向，相对于镜头焦距对上述R1，R2和R3归一化时得到的数值范围为：-0.1≤R1＜-0.05，-0.1＜R2≤-0.05，-0.2≤R3≤-0.1，所述胶合面(3)的曲率中心和顶点在光轴(6)上，所述第一反射面(2)和所述第二反射面(5)的曲率中心相对于所述光轴(6)的偏心距离分别为D1和D2，相对于镜头焦距对上述D1和D2归一化时得到的数值范围为：0＜|D1|≤0.03，0＜|D2|≤0.03。
2.根据权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述胶合面(3)与光轴(6)的交点到所述第一反射面(2)与光轴(6)的交点之间的距离为T1，所述胶合面(3)与光轴(6)的交点到所述第二反射面(5)与光轴(6)的交点之间的距离为T2，其中，相对于镜头焦距对上述T1和T2归一化时得到的数值范围为：0.05＜T1≤0.2，0.01＜T2≤0.03。
3.根据权利要求1或2所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一棱镜(1)和第二棱镜(4)采用的材料为光学玻璃或者晶体材料，所述第一棱镜(1)和第二棱镜(4)所采用的材料的折射率分别为n1和n2，其中，1＜n1＜2，1＜n2＜2。
4.根据权利要求1或2所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一棱镜(1)的凹面、第一棱镜(1)的凸面、第二棱镜(4)的凹面和第二棱镜(4)的凸面为球面或者非球面。
5.根据权利要求3所述的成像光谱仪，其特征在于，所述n2＞n1，所述第一棱镜(1)所采用的材料的阿贝数大于所述第二棱镜(4)所采用的材料的阿贝数。
6.根据权利要求1或2所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一棱镜(1)和第二棱镜(4)包括三棱镜。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20120411 |