CN108444600B - 一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪，将自由曲面的设计和双狭缝结合，有效解决了传统单台光谱系统无法实现从近红外可见到短波红外的宽谱段，大视场，高通量，小型化的设计。传统需多台系统能够达到的指标要求，现将自由曲面引入到光谱成像技术中，利用它的非旋转对称性以及灵活控制光线方向的优势，可灵活改善各种球面系统无法平衡的像差等特性，使得单台系统即可达到多台系统相同的技术指标要求或者更高的成像质量水平，最大程度的实现了系统简易化，轻量化，小型化的需求。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪。
背景技术
随着航空航天技术的飞速发展，探测需求的不断提高，不仅要求成像光谱仪具有高分辨率、大视场，同时还需具有更小的质量和体积，保证系统的结构紧凑和成像质量，这就大大增加了光学系统设计的难度。
近年来，超精密加工技术迅速发展，可以实现光学自由曲面的加工，该面型由于具有极大的自由度，不仅能最大程度的简化系统结构，实现集成化，还能最大限度的提高和改善系统性能，开始成为新一代光学元件。常见的宽谱段高光谱成像仪色散方案主要分为棱镜色散和光栅色散。
近几年，一些国内外学者研究了将自由曲面应用于光栅光谱成像系统中，得到的研究结果表明这种结构在一定程度上实现了光谱成像系统的小型化和轻量化，减小了谱线弯曲和谱带弯曲。
虽然这种结构光谱成像系统具有结构上的优点，但是它们本质上的缺点依然存在：由于采用的是光栅，具有衍射效率低，光通量小，偏振灵敏度高，有级次重叠，高级衍射杂光、鬼像多等缺点，很难实现高信噪比，高能量的要求。棱镜具有价格低廉，能量高，性能长期稳定性好等优点被广泛应用。传统棱镜色散系统为非轴对称系统，其显著限制因素是当系统数值孔径增大时，会产生较严重的谱线弯曲和色畸变等，这严重影响了成像光谱的纯度并限制了后期数据处理算法的精确度。且随着视场角的不断增大，子午面和弧矢面的不对称性加大，使得轴外视场像质严重下降，尤其是轴外的高级像差增加更为剧烈，采用传统的球面镜是无法平衡由于视场增大而剧增的像差，无法同时实现宽谱段，大视场，大相对孔径的设计。若覆盖从近红外、可见到短波红外如此宽谱段的超高光谱成像光谱仪，传统方案需要多台相机拼接，结构复杂，体积和重量大，不满足小型化、轻量化的需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪，可以很好的校正多种离轴像差和非旋转对称像差，有效的校正系统谱带弯曲和谱线弯曲，提高成像质量、简化结构、增大数值孔径、可以有效的解决成像光谱仪的信噪比和分辨率的矛盾，为满足宽谱段、大视场大相对孔径，航空机载提供应用。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪，包括：入射狭缝、自由曲面反射镜、色散棱镜、分色片以及第一与第二探测器；所述自由曲面反射镜通过孔径偏心分别取上通光口径和下通光口径部分使用；
光线经过入射狭缝入射到自由曲面反射镜，经过自由曲面反射镜反射与色散棱镜反射后再次射入自由曲面反射镜，之后被自由曲面反射镜反射至分色片，，通过分色片分为近红外可见光和短波红外光两部分，并分别独立成像于一个探测器上；
所述入射狭缝为两个宽度不同的狭缝，分别用于近红外可见光和短波红外光的光谱分像；所述自由曲面反射镜的自由曲面，经过多组偏微分方程求解得到。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，将自由曲面的设计和双狭缝结合，有效解决了传统单台光谱系统无法实现从近红外可见到短波红外的宽谱段，大视场，高通量，小型化的设计。传统需多台系统能够达到的指标要求，现将自由曲面引入到光谱成像技术中，利用它的非旋转对称性以及灵活控制光线方向的优势，可灵活改善各种球面系统无法平衡的像差等特性，使得单台系统即可达到多台系统相同的技术指标要求或者更高的成像质量水平，最大程度的实现了系统简易化，轻量化，小型化的需求。
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为本发明实施例提供的一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪在短波典型波长处全视场的传递函数；
图3为本发明实施例提供的一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪长波典型波长处全视场的传递函数。
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。
本发明提供一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪；根据系统自身的结构和像差特性，利用自由曲面非旋转对称性，使子午和弧矢方向设计成不同的曲率半径，经过多组偏微分方程求解，构造适合的面形，很好的校正多种离轴像差和非旋转对称像差，有效的校正系统谱带弯曲和谱线弯曲，提高成像质量、简化结构、增大数值孔径、可以有效的解决成像光谱仪的信噪比和分辨率的矛盾，为满足宽谱段、大视场大相对孔径，航空机载提供应用。利用双狭缝的方案，通过设置不同的狭缝宽度，以保证近红外可见和短波红外的光谱分辨率的独立性。无需多台相机，通过单台相机即可同时实现从近红外到短波红外的宽谱段，大视场、大相对孔径的高指标，小型化的设计。
如图1所示，其主要包括：入射狭缝、自由曲面反射镜、色散棱镜、分色片以及第一与第二探测器。图1中：1-入射狭缝；2-自由曲面反射镜，3-色散棱镜；；4-分色片；5-第一探测器；6-第二探测器。
所述入射狭缝为两个宽度不同的狭缝，分别用于近红外可见光和短波红外光的光谱分像通过不同的宽度设定，保证两个谱段的光谱分辨率具有独立性。为了避免探测器上两个狭缝的色散谱线重叠，两个狭缝的垂轴方向(Y方向)要保持一定的距离，这给光学设计增大了一定的难度，以往的光谱成像系统视场只有一维方向，由于双狭缝的引入，给光谱系统的视场增大了一维，同时会引入多种像差，因此需要复杂的自由曲面设计方可有效平衡矩形面视场引起的像差。
两个狭缝作为光谱系统的物面，光线经过入射狭缝入射到自由曲面反射镜，经过自由曲面反射镜反射与色散棱镜反射后再次射入自由曲面反射镜，之后被自由曲面反射镜反射至分色片，通过分色片分为近红外可见光和短波红外光两部分，并分别独立成像于一个探测器上。
本发明实施例中，色散棱镜为前表面镀有内反射膜的元件，射入色散棱镜的光线经过两次透射(两次透射为了实现大色散宽度的需求)一次反射后射入第二自由曲面反射镜。
本发明实施例中，分色片上镀有分色膜，分色膜使得近红外可见光反射，短波红外光透射。
本发明实施例中，自由曲面反射镜与色散棱镜为同一中心高度，有利于系统装调。
自由曲面反射镜中心对称轴与色散棱镜安装光轴为同一个中心。图1中两部分自由曲面反射镜实质为一块自由曲面反射镜，只不过在使用过程中，直接通过孔径偏心分别取上通光口径和下通光口径部分使用，下边所求解的也为这一块自由曲面反射镜的面型。
本发明实施例中，所述自由曲面反射镜的自由曲面，经过多组偏微分方程求解得到；所述自由曲面求解方式如下：
建立的数学关系：
AB1+n1*B1C+CkD1＝a+n1*d+OD1；
AB2+n2*B2C+CkD2＝a+n2*d+OD2；
......
ABm+nn*BmC+CkDn＝a+nn*d+ODn；
其中，令i＝(1,2,…m)，j＝(1,2,…n)，则共有m×n个方程组；a与d为常数；A为已知点坐标；nj与Dj均为1×n矩阵；Bi为输入的坐标(xBi,yBi,zBi)，xBi＝a*cosγisinαi；yBi＝a*cosβi，
cosαi 2+cosβi 2+cosγi 2＝1；三个余弦参数是应该加入下标.αi、βi与γi的值在[0，π]之间任意取值；Ck为待求解的坐标点，求解上述方程获得一系列的坐标点Ck，将这些坐标点Ck拟合，形成一个3D面型。
经过计算的初始面型作为优化的起点，最终确定的系统各元件的主要参数如表1所示，面型这一项的序号与图1中器件序号对应：
表1光学元件参数
该系统的主要技术指标为：波长范围0.4μm～2.5μm，色散长度2mm，物方视场，一维25mm，另一维视场5mm。物方数值孔径0.11，系统总长154mm。
本发明实施例提供的高通量宽谱段小型化成像光谱仪在短波、长波典型波长处全视场的传递函数分别如图2～图3所示，其中横轴spatial frequency in cycles per mm为系统的截止频率，单位为线对/毫米，Modulus of the OTF为为调制传递函数值。从图2～图3中可以看出，各个波长在耐奎斯特频率以内的成像质量较好。
本发明上述方案与现有技术方案相比，主要具有如下优点：
1)自由曲面广泛用于照明系统，照相系统中，但自由曲面应用于棱镜色散光谱系统中未见相关报道，本发明首次将自由曲面引入棱镜光谱成像系统中，利用它的多自由度性，通过直接求解法计算出一种最优面型，有效实现了系统的宽谱段，大视场，高能量。
2)提出一种双狭缝的设计方案，多个波段共用一套系统，通过双狭缝的设计保证了各系统光谱分辨率的独立性，单台系统即可实现以往多台系统的指标要求，实现系统简单化，重量轻，体积小。
3)系统中将两个自由曲面反射镜作为一体，且与色散棱镜同一中心高度，使得整个光学系统近乎同轴系统，有利于装调与检测。
4)该结构中的自由曲面的引入，使得相同技术指标要求下，系统的总长为传统同类设计的0.3倍。
5)将色散棱镜的前表面镀内反射膜，一个元件集两项功能使用，既反射又透射，且通过两次透射实现了色散宽度的增大。
6)与近年相关的光栅光谱仪相比，具有高能量，高信噪比的特点。反射镜几乎无能量损失，透镜元件的透过率高达98％以上，而凸面光栅的衍射效率平均为30％，能量为棱镜的一半以下。
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 (5)
1.一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪，其特征在于，包括：入射狭缝、自由曲面反射镜、色散棱镜、分色片以及第一与第二探测器；所述自由曲面反射镜通过孔径偏心分别取上通光口径和下通光口径部分使用；
光线经过入射狭缝入射到自由曲面反射镜，经过自由曲面反射镜反射与色散棱镜反射后再次射入自由曲面反射镜，之后被自由曲面反射镜反射至分色片，通过分色片分为近红外可见光和短波红外光两部分，并分别独立成像于一个探测器上；
所述入射狭缝为两个宽度不同的狭缝，分别用于近红外可见光和短波红外光的光谱分像；所述自由曲面反射镜的自由曲面，经过多组偏微分方程求解得到；
所述自由曲面求解方式如下：
建立的数学关系：
AB1+n1*B1C+CkD1＝a+n1*d+OD1；
AB2+n2*B2C+CkD2＝a+n2*d+OD2；
......
ABm+nn*BmC+CkDn＝a+nn*d+ODn；
其中，令i＝(1,2,…m)，j＝(1,2,…n)，则共有m×n个方程组；a与d为常数；A为已知点坐标；nj与Dj均为1×n矩阵；Bi为输入的坐标(xBi,yBi,zBi)，xBi＝a*cosγisinαi；yBi＝a*cosβi，
cosαi 2+cosβi 2+cosγi 2＝1；αi、βi与γi的值在[0，π]之间任意取值；Ck为待求解的坐标点，求解上述方程获得一系列的坐标点Ck，将这些坐标点Ck拟合，形成一个3D面型。
2.根据权利要求1所述的一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪，其特征在于，所述入射狭缝上两个宽度不同的狭缝的垂轴方向保持一定的距离。
3.根据权利要求1所述的一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪，其特征在于，所述色散棱镜为前表面镀有内反射膜的元件，射入色散棱镜的光线经过两次透射一次反射后射入第二自由曲面反射镜。
4.根据权利要求1所述的一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪，其特征在于，所述分色片上镀有分色膜，分色膜使得近红外可见光反射，短波红外光透射。
5.根据权利要求1所述的一种高通量宽谱段小型化成像光谱仪，其特征在于，自由曲面反射镜与色散棱镜为同一中心高度。
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