CN110646091B - 一种采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统，包括狭缝，Dyson透镜、凹面反射光栅和探测器面，经过狭缝的光束入射到所述Dyson透镜后，再入射到凹面反射光栅上；凹面反射光栅的前表面作为系统的孔径光阑，入射到凹面反射光栅上的光束经过衍射后再次入射到Dyson透镜；光束再经Dyson透镜透射后最终成像在所述探测器面上；Dyson透镜的后表面和凹面反射光栅的面不再是球面，而是采用了自由曲面的结构，利用该自由曲面来矫正残余像差，从而增大成像后截距。上述系统无需另外加入附件透镜即可增大成像后截距，同时使系统的像面与入射狭缝在垂直方向上保留足够的距离，易于系统安装和集成。

Description

一种采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统。
背景技术
目前，光谱成像技术是一类将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，它能够获得被探测目标的二维空间信息和一维光谱信息，形成数据立方体。光谱成像技术在军事侦察及农、林、水、土、矿灯资源调查等方面有着广阔的应用前景。常见的高光谱成像技术的分光方式主要有棱镜和光栅分光等。Dyson成像光谱仪是一种常见的小型化光谱仪器，其由Dyson透镜和凹面光栅组成，Dyson成像光谱仪的主要优势是具有更大的相对孔径，以及谱线弯曲(Smile)和色畸变(Keystone)。
但现有技术方案中的Dyson光谱仪的入射狭缝和像面均位于Dyson透镜的平面端面，且二者之间距离很近，对狭缝和探测器焦面的安装带来很多的困难，不利于系统集成，无法满足当前高光谱仪器的发展要求。
发明内容
本发明的目的是提供一种采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统，该系统无需另外加入附件透镜即可增大成像后截距，同时使系统的像面与入射狭缝在垂直方向上保留足够的距离，易于系统安装和集成。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统，所述系统包括狭缝，Dyson透镜、凹面反射光栅和探测器面，其中：
经过所述狭缝的光束入射到所述Dyson透镜后，再入射到所述凹面反射光栅上；
所述凹面反射光栅的前表面作为系统的孔径光阑，入射到所述凹面反射光栅上的光束经过衍射后再次入射到所述Dyson透镜；
光束再经所述Dyson透镜透射后最终成像在所述探测器面上；
所述Dyson透镜的后表面和所述凹面反射光栅的面不再是球面，而是采用了自由曲面的结构来增大成像后截距，并利用该自由曲面来矫正由于后截距增大而引入的残余像差。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统无需另外加入附件透镜即可增大成像后截距，同时使系统的像面与入射狭缝在垂直方向上保留足够的距离，易于系统安装和集成。
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采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统结构示意图；
图2为本发明实施例所述自由曲面Dyson光谱仪和球面Dyson光谱仪全视场波像差的对比示意图。
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。
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1所示为本发明实施例提供的采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统结构示意图，所述系统主要包括狭缝101，Dyson透镜102、凹面反射光栅103和探测器面104，其中：
经过所述狭缝101的光束入射到所述Dyson透镜102后，再入射到所述凹面反射光栅103上；
所述凹面反射光栅103的前表面作为系统的孔径光阑，入射到所述凹面反射光栅103上的光束经过衍射后再次入射到所述Dyson透镜102；
光束再经所述Dyson透镜102透射后最终成像在所述探测器面104上；
所述Dyson透镜102的后表面102(b)和所述凹面反射光栅103的面不再是球面，而是采用了自由曲面的结构，来增大成像后截距，并利用该自由曲面来矫正由于后截距增大而引入的残余像差。
具体实现中，为了实现Dyson光谱成像系统具有更大的后截距，在破坏了理想罗兰元成像原理的情况下，必然引入大量的残余像差。对于传统的球面Dyson系统，在光学设计优化过程中只有Dyson透镜后表面以及凹面光栅曲率半径可以作为优化变量，可以利用的优化变量太少，像差校正能力有限；而本申请实施例所采用的自由曲面结构的光学表面在光学设计优化过程中提供了比传统球面光学系统更多的优化变量，因此可以更好的用来矫正Dyson系统由于后截距增大而引入的残余像差。
举例来说，如图2所示为本发明实施例所述自由曲面Dyson光谱仪和球面Dyson光谱仪全视场波像差的对比示意图，参考图2：二者具有相同的一阶参数和类似的成像后截距，从图中全视场波像差比较可以看到，自由曲面Dyson系统具有十分理想的成像质量；而同样的技术指标，采用球面光学系统的Dyson光谱仪，它的残余像差很大无法满足实际应用的需求。
具体实现中，该自由曲面结构的作用一方面是增大了成像后截距，系统的像面不再在Dyson透镜102的前表面102(a)上，而是与102(a)平面保留有足够的距离用于探测器的安装放置；另一方面是使得系统的像面与入射狭缝在垂直方向上保留足够的距离。在本实例中系统的成像后截距达到15mm，并且狭缝101与探测器面104在系统Y轴方向上的距离达到25mm，易于探测器、狭缝的安装和系统集成。
该自由曲面的表达式可以包括：XY多项式、Zernike多项式或Q-type多项式等，其中：
所述XY多项式如下所示：
Figure BDA0002225140330000031
Figure BDA0002225140330000032
其中，r为曲率半径；X,Y,Z为曲面上点的空间坐标；c为曲率；k为曲面二次系数；Cj为对应多项式的系数；
所述Zernike多项式如下所示：
Figure BDA0002225140330000033
其中，r为曲率半径；X,Y,Z为曲面上点的空间坐标；c为曲率；k为曲面二次系数；Ci为对应多项式的系数；
所述Q-type多项式如下所示：
Figure BDA0002225140330000041
其中，z是矢高；cbfs是最佳拟合面的曲率；r是径向距离；rn是归一化半径；κ是最佳拟合面的圆锥常数；am是第m阶Qbfs多项式的系数；Qm bfs是第m阶Qbfs多项式。
按照上述结构设计，所述系统的狭缝长达18mm；光谱范围400nm-1000nm，覆盖可见光到近红外波段；F数为2。
具体实现中，上述Dyson透镜102的材料可以选择光学玻璃、石英晶体或者红外光学材料。
下面以具体的实例对上述系统的设计及成像效果进行验证，在该实例中：光谱范围达到400-1000nm，覆盖可见光到近红外波段，狭缝长度18mm，F数为2，像元大小为16μm，光栅线对数的为80lines/mm。根据该系统在400nm，500nm，600nm，700nm，800nm，900nm和1000nm的调制传递函数MTF结果，在截止频率32lines/mm时，在整个波段范围内，成像光谱仪成像质量良好，光学系统的像面距离Dyson透镜102的前表面102(a)达到15mm，像面与入射狭缝间距达到25mm，易于实现系统的制备和集成。
另外，所述系统最终获取的数据信息包括两维图像信息和一维光谱信息，对于光谱维成像质量评价的标准一般使用谱线弯曲(Smile)和色畸变(Keystone)，这些畸变会造成光谱复原的误差，造成目标特征成分识别的误差。两者弯曲均会给后续数据处理带来很大的麻烦，需要在光学系统设计时给予有效控制。本实例中对7个波长400nm，500nm，600nm，700nm，800nm和1000nm，及5个视场(0,0)、(0,0.3)、(0,0.5)、(0,0.7)和(0,1)的主光线进行追迹，结果表明在所有波段的最大谱线弯曲和色畸变分别小于3μm和1.5μm，满足光谱成像系统的技术要求，保证了光谱复原的准确性。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术，例如采用不同的自由曲面表达方程等。
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 (7)

1.一种采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统，其特征在于，所述系统包括狭缝，Dyson透镜、凹面反射光栅和探测器面，其中：
经过所述狭缝的光束入射到所述Dyson透镜后，再入射到所述凹面反射光栅上；
所述凹面反射光栅的前表面作为系统的孔径光阑，入射到所述凹面反射光栅上的光束经过衍射后再次入射到所述Dyson透镜；
光束再经所述Dyson透镜透射后最终成像在所述探测器面上；
所述Dyson透镜的后表面和所述凹面反射光栅的面不再是球面，而是采用了自由曲面的结构来增大成像后截距，并利用该自由曲面来矫正由于后截距增大而引入的残余像差；
其中，所述系统的成像后截距达到15mm，并且所述狭缝与探测器面在系统Y轴方向上的距离达到25mm，易于探测器、狭缝的安装和系统集成。
2.根据权利要求1所述采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统，其特征在于，
所述自由曲面的表达式包括：XY多项式、Zernike多项式或Q-type多项式。
3.根据权利要求2所述采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统，其特征在于，
所述XY多项式如下所示：
Figure FDA0003057839750000011
Figure FDA0003057839750000012
其中，r为曲率半径；X,Y,Z为曲面上点的空间坐标；c为曲率；k为曲面二次系数；Cj为对应多项式的系数；
所述Zernike多项式如下所示：
Figure FDA0003057839750000013
其中，r为曲率半径；X,Y,Z为曲面上点的空间坐标；c为曲率；k为曲面二次系数；Ci为对应多项式的系数；
所述Q-type多项式如下所示：
Figure FDA0003057839750000014
其中，z是矢高；cbfs是最佳拟合面的曲率；r是径向距离；rn是归一化半径；κ是最佳拟合面的圆锥常数；am是第m阶Qbfs多项式的系数；Qm bfs是第m阶Qbfs多项式。
4.根据权利要求1所述采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统，其特征在于，
所述系统的狭缝长达18mm；光谱范围400nm-1000nm，覆盖可见光到近红外波段；F数为2。
5.根据权利要求1所述采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统，其特征在于，
所述Dyson透镜的材料选择光学玻璃。
6.根据权利要求1所述采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统，其特征在于，
所述Dyson透镜的材料选择石英晶体。
7.根据权利要求1所述采用自由曲面的大视场Dyson光谱成像系统，其特征在于，
所述Dyson透镜的材料选择红外光学材料。
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