CN111854950A - 一种多次像面光谱仪的光学系统 - Google Patents
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Abstract
一种多次像面光谱仪的光学系统，属于成像光谱技术领域。该光学系统由前组透射式镜组、孔径光阑、中间像面、多通道滤光片、后组对称透射式成像镜组、焦平面组成。系统具有大视场、结构紧凑、高光谱分辨率的特点。系统孔径光阑位于前组透射式镜组内部，成像光线经过前组透射式镜组后形成系统的一次像面，多通道滤光片位于系统一次像面处对一次成像光束进行光谱分光。再利用后组对称透射式成像镜组对各通道光谱进行成像。最终将光谱图像成像在系统焦平面上。本发明所有镜片均为球面面形且采用常规透射式光学材料，多通道滤光片基底材料为硅材料，易于获取与加工。该系统广泛应用农作物普查、食品药品检测、文物鉴定、自然灾害评估、航空遥感等领域。
Description
技术领域
本发明属于成像光谱技术领域，具体涉及一种多次像面光谱仪的光学系统。
背景技术
光谱成像仪可以同时获取目标的图像和光谱信息，具有图谱合一的优点，因此广泛而深入的应用于农作物普查、食品药品检测、文物鉴定、环境监控、生物医学检测等各个领域，一直是光学设备中广泛关注的重点之一。
现有的光谱成像仪光学系统主要基于多镜头结构和单镜头结合分光器件两种设计方案。多镜头结构如中国发明专利公开的(申请号为200410066548.2)多光谱成像系统，利用前置摆扫镜及双镜头实现对同一目标不同谱段的扫描成像，并通过图像配准对各镜头之间的视差进行校正。而单镜头结构的设计方案主要利用棱镜、光栅、傅里叶变换、声光可调谐滤光片或液晶可调谐滤光片等分光元件实现光谱成像，上述分光器件在应用过程中存在结构相对复杂、视场相对较小、光能利用率相对较低的局限性，成为光谱成像仪小型化、轻量化设计的瓶颈。同时受到成像体制的限制，成像过程中需要配合摆扫镜进行推扫成像，无法实现视频成像模式，限制了光谱成像仪的应用范围。因此，小型化、可实现视频成像的光谱仪成为光谱成像领域的迫切需求。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种多次像面光谱仪的光学系统，解决了现有光谱成像仪光学系统由于受到光学系统的视场、成像体制及分光器件的限制，导致当前各成像光谱仪难以满足小型化、视频成像的应用需求的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：
一种多次像面光谱仪的光学系统，该系统包括：按照入射光传播方向依次同轴设置的前组透射式成像镜组、孔径光阑、中间像面、多通道滤光片、后组对称透射式成像镜组和焦平面；所述孔径光阑设置在所述前组透射式成像镜组内；目标入射光线经过所述前组透射式成像镜组后在所述中间像面成像后，进入多通道滤光片，多通道滤光片对入射光线进行分光，所得到的目标光谱特性经过后组对称透射式成像镜组后成像在系统焦平面，实现对目标光谱特性的视频成像。
优选的，所述前组透射式成像镜组包括：按照入射光传播方向依次同轴排列的具有正折射力的第一正透镜、具有正折射力的第二正透镜、具有负折射力的第一负透镜、具有负折射力的第一胶合镜组、具有正折射力的第三正透镜和具有正折射力的第四正透镜。
优选的，所述孔径光阑设置在所述第一负透镜出射光面上。
优选的，所述前组透射式成像镜组的视场角为16°，相对孔径1/4，通光孔径25mm，光学长度小于138mm，工作波长在475nm～875nm。
优选的，所述多通道滤光片的入射光面位于所述中间像面处。
优选的，所述多通道滤光片通光尺寸为Φ30mm。
优选的，所述多通道滤光片入射光面镀多通道滤光膜，出射光面镀截止膜。
优选的，所述多通道滤光膜周期为N×N，工作波长在475nm～875nm，将工作波长分为N2个通道。
优选的，所述后组对称透射式成像镜组包括：成对称式结构的前四组透镜与后四组透镜，前四组透镜包括按照入射光传播方向同轴排列的具有正折射力的第一弯月透镜、具有正折射力的第五正透镜、具有正折射力的第一胶合镜组和具有正折射力的第二弯月透镜；后四组透镜包括按照入射光传播方向同轴排列的具有负折射力的第三弯月透镜、具有负折射力的第二胶合镜组、具有正折射力的第六正透镜和具有正折射力的第四弯月透镜，后组对称透射式成像镜组放大倍率为-1×，光学长度小于350mm，工作波长在
475nm～875nm。
本发明的有益效果是：光谱仪光学系统的F数大，有效提高系统的集光能力，可实现高信噪比成像；避免了传统光谱仪光学系统复杂的分光形式，利用单一多通道滤光片实现目标光谱特性的精细分光，有效地减小了系统的尺寸；颠覆了传统光谱仪光学系统利用扫描镜的扫描成像方式，利用传统透射式光学系统可以实现光谱仪的视频成像模式，可以满足大视场条件下的高成像质量、高光谱分辨率的应用需求，极大地丰富了光谱仪的应用领域。
附图说明
图1本发明的一种多次像面光谱仪的光学系统成像光路示意图。
图2本发明的一种多次像面光谱仪光学系统的前组透射式成像镜组光学元件示意图。
图3本发明的一种多次像面光谱仪光学系统的多通道滤光片阵列结构示意图。
图4本发明的一种多次像面光谱仪光学系统的后组对称透射式成像镜组光学元件示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。
如图1所示，一种多次像面光谱仪的光学系统，包括：前组透射式成像镜组G1、孔径光阑G104、中间像面及多通道滤光片G2、后组对称透射式成像镜组G3、焦平面G4组成。所述孔径光阑G104设置在所述前组透射式成像镜组G1内；目标入射光线经过所述前组透射式成像镜组G1后在所述中间像面成像后，进入多通道滤光片，多通道滤光片对入射光线进行分光，将入射光束分为4×4阵列，所得到的目标光谱特性经过后组对称透射式成像镜组G3后成像在系统焦平面G4，实现对目标光谱特性的视频成像。
如图2所示，所述的前组透射式成像镜组G1遵循紧凑型、多次成像的原则，为6片式球面镜片构成，包括自左向右中心轴线同轴排列的具有正折射力的第一正透镜G101和第二正透镜G102、具有负折射力的第一负透镜G103、具有负折射力的第一胶合镜组G105、具有正折射力的第三正透镜G106和第四正透镜G107；其中6片透镜均采用常规透射式玻璃材料，面形均为球面面形，第一正透镜G101、第二正透镜G102、第一负透镜G103、第三正透镜G106和第四正透镜G107为球面单透镜，第一胶合镜组G105由一片负折射率光学元件和一片正折射率光学元件胶合而成。
所述孔径光阑G104固定在前组透射式成像镜组G1的第三负透镜G103右侧，即出光面处，对系统成像光束孔径进行限制。
所述前组透射式成像镜组G1的视场角为16°，成像镜组焦距100mm，相对孔径1/4，通光孔径25mm，光学长度小于138mm，工作波长在475nm～875nm；边缘视场的边缘光线入射角度小于7°。
设计过程中，考虑光学系统像面畸变随着视场角的增大而增大，因此通过控制一次像面各视场主光线角度对系统畸变进行抑制，优化函数中设置系统参数、像面主光线入射角度、像质评价及光学总长约束，保证前组透射式成像镜组G1具有良好的成像质量。
所述中间像面及多通道滤光片G2，包括前组透射式成像镜组中间像面及多通道滤光片，多通道滤光片的左侧面与中间像面重合；
所述中间像面及多通道滤光片G2通光尺寸为Φ30mm；
所述多通道滤光片G2左侧面，即入光面镀多通道滤光膜，右侧面镀截止膜，以消除多余辐射能量对光谱成像质量的影响。
如图3所示，所述多通道滤光膜周期为N×N，工作波长在475nm～875nm，将工作波长分为N2个通道。在本实施例中，所述多通道滤光膜周期为4×4，将工作波长分为16个通道；所述多通道滤光片的尺寸为Φ30mm。
如图4所示，所述后组对称透射式成像镜组G3为8片式球面镜片构成，前四组透镜与后四组透镜成对称式结构，对称式结构左侧包括自左向右中心轴线同轴排列的具有正折射力的第一弯月透镜G301、具有正折射力的第五正透镜G302、具有正折射力的第一胶合镜组G303和具有正折射力的第二弯月透镜G304；对称式结构右侧包括自左向右中心轴线同轴排列的具有负折射力的第三G305弯月透镜G305和具有负折射力的第二胶合镜组G306、具有正折射力的第六正透镜G307和具有正折射力的第四弯月透镜G308；
所述后组对称透射式成像镜组G3放大倍率为-1×，光学长度小于350mm，工作波长在475nm～875nm；
后组对称透射式成像镜组G3遵循完全对称的设计原则，使得后组对称透射式成像镜组G3所有的横向像差(畸变、彗差和横向色差)为零。设计为8片透镜组，前四片与后四片相对于系统出瞳成对称结构，8片透镜均采用常规透射式玻璃材料，面形均为球面面形，具有良好的可实现性。
设计过程中，考虑系统通过后组对称透射式成像镜组G3将滤光片与相机焦平面G4进行耦合，抑制后组对称透射式成像镜组G3对系统成像质量的影响，优化函数中设置系统参数、像质评价、光学总长和放大倍率约束，将后组对称透射式成像镜组G3对系统成像质量的影响降至最低。
所述焦平面G4的像元尺寸为5.5μm，分辨率为4096×3072；
所述焦平面G4与多通道滤光片G2通过后组对称透射式成像镜组G3进行耦合。本实施例中，系统焦平面G4可以采用不同谱段探测器进行替代，相应地对成像镜组材料进行替代。
系统集成
多次像面光谱仪的前组透射式成像镜组G1和后组对称透射式成像镜组G3根据不同的优化函数独立设计，分别具有良好的成像质量，可分别进行系统集成。前组透射式成像镜组G1只需要保证成像质量，降低多通道滤光片因加工和装调对系统成像质量的影响，多通道滤光片位置公差较松，可以通过机械结构保证。集成后的光学系统孔径光阑G104位于前组透射式成像镜组G1中。
Claims (9)
1.一种多次像面光谱仪的光学系统，其特征在于，该系统包括：按照入射光传播方向依次同轴设置的前组透射式成像镜组、孔径光阑、中间像面、多通道滤光片、后组对称透射式成像镜组和焦平面；所述孔径光阑设置在所述前组透射式成像镜组内；目标入射光线经过所述前组透射式成像镜组后在所述中间像面成像后，进入多通道滤光片，多通道滤光片对入射光线进行分光，所得到的目标光谱特性经过后组对称透射式成像镜组后成像在系统焦平面，实现对目标光谱特性的视频成像。
2.根据权利要求1所述的一种多次像面光谱仪的光学系统，其特征在于，所述前组透射式成像镜组包括：按照入射光传播方向依次同轴排列的具有正折射力的第一正透镜、具有正折射力的第二正透镜、具有负折射力的第一负透镜、具有负折射力的第一胶合镜组、具有正折射力的第三正透镜和具有正折射力的第四正透镜。
3.根据权利要求1或2所述的一种多次像面光谱仪的光学系统，其特征在于，所述孔径光阑设置在所述第一负透镜出射光面上。
4.根据权利要求1或2所述的一种多次像面光谱仪的光学系统，其特征在于，所述前组透射式成像镜组的视场角为16°，相对孔径1/4，通光孔径25mm，光学长度小于138mm，工作波长在475nm～875nm。
5.根据权利要求1所述的一种多次像面光谱仪的光学系统，其特征在于，所述多通道滤光片的入射光面位于所述中间像面处。
6.根据权利要求1所述的一种多次像面光谱仪的光学系统，其特征在于，所述多通道滤光片通光尺寸为Φ30mm。
7.根据权利要求1所述的一种多次像面光谱仪的光学系统，其特征在于，所述多通道滤光片入射光面镀多通道滤光膜，出射光面镀截止膜。
8.根据权利要求7所述的一种多次像面光谱仪的光学系统，其特征在于，所述多通道滤光膜周期为N×N，工作波长在475nm～875nm，将工作波长分为N2个通道。
9.根据权利要求1所述的一种多次像面光谱仪的光学系统，其特征在于，所述后组对称透射式成像镜组包括：成对称式结构的前四组透镜与后四组透镜，前四组透镜包括按照入射光传播方向同轴排列的具有正折射力的第一弯月透镜、具有正折射力的第五正透镜、具有正折射力的第一胶合镜组和具有正折射力的第二弯月透镜；后四组透镜包括按照入射光传播方向同轴排列的具有负折射力的第三弯月透镜、具有负折射力的第二胶合镜组、具有正折射力的第六正透镜和具有正折射力的第四弯月透镜，后组对称透射式成像镜组放大倍率为-1×，光学长度小于350mm，工作波长在475nm～875nm。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20201030 |
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| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |