CN103411670B - 一种新型棱镜色散成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型棱镜色散成像光谱仪。所述成像光谱仪包括前置物镜，准直镜，新型色散棱镜，成像镜和面阵探测器，其中所述新型色散棱镜由两个常规平面棱镜和一个曲面棱镜胶合形成，其材料选用对称形式，后通光面为球面；所述成像光谱仪的光路过程具体为：光辐射从无穷远处物体经过所述前置物镜成像于一次像面；从所述准直镜平行出射后经过所述新型色散棱镜色散；在通过所述成像镜，最终被所述面阵探测器接收；所述面阵探测器所接收到的是空间维信息和光谱维展开。该成像光谱仪共轴光路、稳定性高、能量利用率高、自由光谱范围宽、成像质量好、结构紧凑、体积相对较小，生产成本低，适用于生物医学、食品快速检测等民用领域。

Description

一种新型棱镜色散成像光谱仪

技术领域

本发明涉及成像光谱技术领域，尤其涉及一种新型棱镜色散成像光谱仪。

背景技术

成像光谱技术兴起于二十世纪八十年代，该技术集光学、光谱学、精密机械、电子技术及计算机技术于一体，是在多学科交叉融合基础上的创新。成像光谱技术能够获得被测目标的两维空间信息和一维光谱信息，得到的图像数据被称为数据立方体（DataCube），是一类新型的多维信息获取技术。因其获得的光谱数据信息量丰富，在航空航天遥感、军事应用、科学实验、天文观测、环境监测、灾害评估、资源勘测、生物医学等领域得到了广泛的应用。

从不同的角度分析成像光谱技术，可以有不同的分类方式，从分光原理看，成像光谱技术可分为棱镜色散(Prism)、光栅衍射(Grating)、滤光片(Filter)和干涉(Interferometer)四类。棱镜色散型：入射狭缝位于准直系统的前焦面上，入射光经准直系统准直后，经棱镜色散，由成像系统将狭缝按波长成像在焦平面上探测器上；光栅衍射型：衍射光栅的经典应用同色散棱镜相同，都是用于准直光路中；滤光片型：采用相机加滤光片的方案，多次滤光得到窄带光谱，原理简单，有很多种类型，如可调谐滤光片型、楔形滤光片型等；干涉型：干涉成像光谱仪包括双光束干涉成像光谱仪和多光束干涉成像光谱仪。

如图1所示为现有技术中传统棱镜色散型成像光谱仪的结构示意图，图1中包含前置镜组、准直镜组和成像镜组三组镜头。而如何研究出稳定性高、能量利用率高、自由光谱范围宽、成像质量好，且结构紧凑体积小的棱镜色散型成像光谱仪一直是成像光谱技术中的重点。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型棱镜色散成像光谱仪，该成像光谱仪共轴光路、稳定性高、能量利用率高、自由光谱范围宽、成像质量好、结构紧凑、体积相对较小，生产成本低，适用于生物医学、食品快速检测等民用领域。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种新型棱镜色散成像光谱仪，所述成像光谱仪包括前置物镜，准直镜，新型色散棱镜，成像镜和面阵探测器，其中：

所述新型色散棱镜由两个常规平面棱镜和一个曲面棱镜胶合形成，其材料选用对称形式，后通光面为球面；

所述成像光谱仪的光路过程具体为：

光辐射从无穷远处物体经过所述前置物镜成像于一次像面；从所述准直镜平行出射后经过所述新型色散棱镜色散；在通过所述成像镜，最终被所述面阵探测器接收；所述面阵探测器所接收到的是空间维信息和光谱维展开。

所述新型色散棱镜用于平行光路中，且所述成像光谱仪的光学系统为小焦距、中等视场的共轴光路，以便于所述新型色散棱镜的装调。

所述新型色散棱镜的曲面棱镜所采用的材料是光学玻璃或是晶体材料，其折射率n的取值范围为：1<n<2。

所述新型色散棱镜中间的棱镜采用折射率较高、阿贝数较小的玻璃材料；且两侧的棱镜采用折射率较低、阿贝数较大的玻璃材料。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述成像光谱仪包括前置物镜，准直镜，新型色散棱镜，成像镜和面阵探测器，其中所述新型色散棱镜由两个常规平面棱镜和一个曲面棱镜胶合形成，其材料选用对称形式，后通光面为球面；所述成像光谱仪的光路过程具体为：光辐射从无穷远处物体经过所述前置物镜成像于一次像面；从所述准直镜平行出射后经过所述新型色散棱镜色散；在通过所述成像镜，最终被所述面阵探测器接收；所述面阵探测器所接收到的是空间维信息和光谱维展开。该成像光谱仪共轴光路、稳定性高、能量利用率高、自由光谱范围宽、成像质量好、结构紧凑、体积相对较小，生产成本低，适用于生物医学、食品快速检测等民用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为现有技术中传统棱镜色散型成像光谱仪的结构示意图；

图2为本发明实施例所提供的新型棱镜色散成像光谱仪的结构示意图；

图3为本发明实施例所提供的新型色散棱镜的结构示意图；

图4为本发明实施例所提供的成像光谱仪的光学系统典型波长（450nm）在全视场的传递函数曲线示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例所述的新型色散棱镜既有棱镜的色散能力，又具备成像功能，简化了成像光谱仪的成像结构。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图2所示为本发明实施例所提供的新型棱镜色散成像光谱仪的结构示意图，图2中成像光谱仪包括：前置物镜1，准直镜2，新型色散棱镜3，成像镜4，面阵探测器5，其中：

所述新型色散棱镜3由两个常规平面棱镜和一个曲面棱镜胶合形成，其材料选用对称形式，后通光面为球面。

该新型色散棱镜3的结构是由常规对称性双Amici棱镜结构改进而来，不同于传统的色散棱镜，它的材料选用是对称形式，而后通光面是球面，目前的加工条件，完全可以满足此种棱镜形式的加工和胶合。由于球面的引入，使该光学元件具备普通透镜的成像功能，能有效地校正球差、彗差和像散，同时保留了传统棱镜的色散功能，形成一种集成像和色散于一体的光学元件，有助于得到一种简单紧凑的光谱成像结构。

具体实现中，上述成像光谱仪的成像光路过程具体为：光辐射从无穷远处物体经过前置物镜1成像于一次像面，从准直镜2平行出射后经过新型色散棱镜3色散，在通过成像镜4，最终被面阵探测器5接收，而面阵探测器5接收到的是空间维信息和光谱维展开。

从图2中的成像光路可以看出：在保证成像质量的前提下，成像镜比前置镜镜片减少；系统的谱线弯曲和谱带弯曲均在0.2个像元以内。

具体实现中，上述新型色散棱镜用于平行光路中，且所述成像光谱仪的光学系统为小焦距、中等视场的共轴光路，以便于所述新型色散棱镜的装调。同时，光学系统的设计满足物方、像方远心光路条件，容易满足光瞳衔接原则，方便与其他镜组的匹配。

如图3所示为本发明实施例所提供的新型色散棱镜的结构示意图，图3中新型色散棱镜的曲面棱镜所采用的材料是光学玻璃或是晶体材料，其折射率n的取值范围为：1<n<2。图3中新型色散棱镜中间的棱镜采用折射率较高、阿贝数较小的玻璃材料；且两侧的棱镜采用折射率较低、阿贝数较大的玻璃材料。

另外，上述新型色散棱镜的替代方案可以包括改变光学面的偏心或者倾斜角、面与面之间的距离以及所使用的光学材料等。

具体实现中，为了将新型色散棱镜用于一套完整的成像光谱系统中，该成像光谱系统的主要技术指标可以为：相对孔径5，视场角为10.6°，放大率1:1，工作波长在450nm～900nm范围内。

如图4为本发明实施例所提供的成像光谱仪的光学系统典型波长（450nm）在全视场的传递函数曲线示意图，从图4中可以看出，各个波长在耐奎斯特频率以内的成像质量均接近衍射极限。

综上所述，本发明实施例所述成像光谱仪的棱镜结构形式新颖，易于装调，生产成本较低；将该棱镜用于平行光路中，具有成像功能，可以简化整体系统镜片结构，增加光通量；棱镜组合的形式提高色散率，同时也能辅助校正球差、彗差、畸变等几何像差，以及传统棱镜色散带来的谱带弯曲和谱线弯曲；该棱镜方案在可见光、近红外甚至中波红外谱段可以做到80～90%以上的透过率，能量利用率高；同时自由光谱范围宽，从可见光到近红外和中波红外均可以，没有光谱混叠现象，不需要设计复杂的截止滤光片膜系。

且该成像光谱仪共轴光路、稳定性高、能量利用率高、自由光谱范围宽、成像质量好、结构紧凑、体积相对较小，生产成本低，适用于生物医学、食品快速检测等民用领域。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (3)

1.一种新型棱镜色散成像光谱仪，其特征在于，所述成像光谱仪包括前置物镜，准直镜，新型色散棱镜，成像镜和面阵探测器，其中：

所述新型色散棱镜由两个常规平面棱镜和一个曲面棱镜胶合形成，其材料选用对称形式，后通光面为球面；其中,所述新型色散棱镜的曲面棱镜所采用的材料是光学玻璃或是晶体材料，其折射率n的取值范围为：1<n<2；

所述成像光谱仪的光路过程具体为：

光辐射从无穷远处物体经过所述前置物镜成像于一次像面；从所述准直镜平行出射后经过所述新型色散棱镜色散；在通过所述成像镜，最终被所述面阵探测器接收；所述面阵探测器所接收到的是空间维信息和光谱维展开。

2.根据权利要求1所述新型棱镜色散成像光谱仪，其特征在于，

所述新型色散棱镜用于平行光路中，且所述成像光谱仪的光学系统为小焦距、中等视场的共轴光路，以便于所述新型色散棱镜的装调。

3.根据权利要求1所述新型棱镜色散成像光谱仪，其特征在于，

所述新型色散棱镜中间的棱镜采用折射率较高、阿贝数较小的玻璃材料；且两侧的棱镜采用折射率较低、阿贝数较大的玻璃材料。