CN112539836B - 基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统 - Google Patents

Abstract

本发明涉及光谱成像系统，具体涉及基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，以解决现有Dyson凹面光栅光谱仪存在成像质量差、光路复杂、加工装调难度大的问题。本发明所采用的技术方案为：基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，包括沿系统光轴方向依次设置的狭缝、前臂补偿透镜组、折叠反射镜、光路复用透镜组和平面光栅；所述前臂补偿透镜组、光路复用透镜组和平面光栅均共光轴设置，所述狭缝偏向系统光轴的一侧设置，所述折叠反射镜偏向系统光轴的另一侧设置，所述折叠反射镜远离系统光轴的一侧还设置有探测器。

Description

基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统

技术领域

本发明涉及光谱成像系统，具体涉及基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统。

背景技术

光谱成像仪是一种“谱像合一”的新型遥感仪器。具有光谱分辨率高，谱段数多，在工作波段范围具有连续输出等特点。它把传统的二维成像遥感技术和光谱技术有机地结合在一起，在用成像系统获得景物空间信息的同时，通过光谱仪系统把景物的光谱辐射分解成许多相互邻接、甚至有些是相互重叠的狭窄光谱波段的辐射，能在一定光谱范围内获得每个景物像元的几十甚至几百个狭窄的连续的波段信息。这样，不仅可以得到多个狭窄光谱波段的地面景物图像，而且还可得到每个地面像元的光谱曲线。

当成像光谱仪在二维空间信息的基础上，增加第三维光谱信息，会大大提高从遥感数据判别并获取地面信息的能力，特别是直接与目标物质结构相关的光谱信息。进而成像光谱仪显著地提高了探测地球表面特征和物体性质的能力，其应用领域涵盖了地球科学的各个方面。

目前在小型无人机高光谱检测领域和靶场特性测量等领域中，光谱成像仪的小型化和轻量化越来越受到人们的关注。现有的Dyson凹面光栅光谱仪具有结构紧凑和质量较小的特点，可以满足小型无人机高光谱的检测和靶场特性的测量。但是，Dyson凹面光栅光谱仪通常采用非球面校正系统的像差，并且通过折转像面的位置使狭缝和像面置于不同平面内，造成光路较为复杂，加工装调难度大，制作成本较高。

发明内容

本发明在于解决现有Dyson凹面光栅光谱仪存在成像质量差、光路复杂、加工装调难度大的问题。

本发明所采用的技术方案为：基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，其特殊之处在于，包括沿系统光轴方向依次设置的狭缝、前臂补偿透镜组、折叠反射镜、光路复用透镜组和平面光栅；

所述前臂补偿透镜组、光路复用透镜组和平面光栅均共光轴设置，所述狭缝偏向系统光轴的一侧设置，所述折叠反射镜偏向系统光轴的另一侧设置，所述折叠反射镜远离系统光轴的一侧还设置有探测器；

所述狭缝用于接收物镜获得的光谱，并将该光谱细分、入射至前臂补偿透镜组上，避免了光谱成像系统的光谱混叠；

所述前臂补偿透镜组用于补偿光谱成像系统的离轴像差；所述光路复用透镜组用于将光谱准直透射至平面光栅，再将经平面光栅色散、反射后的光谱透射汇聚至折叠反射镜上；所述平面光栅对准直光路进行色散，将不同的光谱分离开，实现系统对光谱分辨率的要求；所述折叠反射镜用于将光路复用透镜组透射汇聚的光谱反射至探测器的靶面上。

进一步地，所述折叠反射镜主要是对光路进行折叠，即将光路进行转向，避免狭缝和探测器进行干涉，以方便相机的安装。

进一步地，所述前臂补偿透镜组由共轴的第一双弯月负透镜和第二双弯月负透镜组成；所述光路复用透镜组由共轴的第一平凸透镜、第二平凸透镜、第三双弯月负透镜和第一双凸透镜组成。

进一步地，所述前臂补偿透镜组和光路复用透镜组之间距离为8mm±1mm；所述光路复用透镜组和平面光栅之间的间距设置为3mm±1mm。

进一步地，所述第一双弯月负透镜和第二双弯月负透镜之间的距离设置6mm±1mm；所述第一平凸透镜和第二平凸透镜之间的距离设置2mm±1mm；所述第二平凸透镜和第三双弯月负透镜之间的距离设置12mm±1mm；所述第三双弯月负透镜和第一双凸透镜之间的距离设置2mm±1mm。

进一步地，所述第一双弯月负透镜和第二双弯月负透镜的中心厚度分别为3±1mm、4±1mm；所述第一平凸透镜、第二平凸透镜、第三双弯月负透镜和第一双凸透镜的中心厚度均为5±1mm。

进一步地，所述第一双弯月负透镜由H-LAF61A制成，第二双弯月负透镜由H-BAK8制成；所述第一平凸透镜由H-LAK53A制成，所述第二平凸透镜由H-ZK3A制成，所述第三双弯月负透镜由H-ZF52GT制成，所述第一双凸透镜由H-LAK4L制成。

进一步地，所述平面光栅的厚度为3±1mm。

进一步地，所述折叠反射镜的光轴与系统光轴之间的夹角为45°±15°。

进一步地，所述平面光栅由H-K9L制成；所述折叠反射镜由H-K9L制成。

进一步地，光谱成像系统的孔径光阑设置在平面光栅上，即孔径光阑和平面光栅相重合，减少了光谱成像系统的空间体积。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果。

一、本发明采用的基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，利用光路复用结构，将传统光谱仪的准直透镜组和光谱成像透镜组合二为一，大大减小了系统的空间体积和系统重量，前臂补偿透镜组承担了光学系统离轴像散的平衡优化，特别是平面光栅在光路复用系统中的使用，完全取代了传统凹面光栅光路复用系统，避免了凹面光栅由于加工难度大和成本高造成无法量产化的问题。

二、本发明采用的基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，可适用于景物光谱的全部波段，在可见近红外波段，该光谱仪的光谱分辨率优于1.6nm，色畸变小于0.1个像元(像元大小为6.45μm)，满足高分辨率要求。

三、本发明采用的基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，设置的前臂补偿透镜组采用弯月负透镜校正像差，可校正波长为0.4μm～1.1μm的光谱，实现了光学系统离轴像差的平衡优化，有效校正了系统的离轴像散，使系统的谱线弯曲和色畸变得到了很好的校正，各波长处的成像质量接近衍射极限。

四、本发明采用的基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，设置的平面光栅，可将光路复用成像透镜组准直透射的光谱进行色散反射，实现光谱成像系统的光路复用，大大减小了光谱成像系统的空间体积和系统重量，使光谱成像系统具有大相对孔径、结构紧凑、体积小、重量轻、高分辨率光谱成像等优点，完全实现了光路复用光谱仪的量产化。

五、本发明采用的基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，使用的所有透镜均共光轴，装配工艺简单，对各光学元件之间的间距和相对位置无特殊需求，只要满足组装工艺即可，而且光学系统工作的环境温度为-40℃～60℃，适用温度范围更广泛。

六、本发明采用的基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，使用的平面光栅没有设置通孔，对光谱成像系统视场无遮拦，可实现光谱成像系统的全视场探测。

附图说明

图1为本发明基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统的结构示意图。

图2为本发明基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统在边缘视场不同光谱曲线的色畸变曲线图。

图中1：

1-狭缝；

2-前臂补偿透镜组，21-第一双弯月负透镜，22-第二双弯月负透镜；

3-光路复用成像透镜组，31-第一平凸透镜，32-第二平凸透镜，33-第三双弯月负透镜，34-第一双凸透镜；

4-平面光栅，5-折叠反射镜，6-探测器。

具体实施方式

下面将结合本发明的实施例和附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例并非对本发明的限制。

如图1所示，本实施例中基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，包括沿系统光轴方向依次设置的狭缝1、前臂补偿透镜组2、折叠反射镜5、光路复用透镜组3和平面光栅4；

所述前臂补偿透镜组2、光路复用透镜组3和平面光栅4均共光轴设置，所述狭缝1偏向系统光轴的一侧设置，所述折叠反射镜5偏向系统光轴的另一侧设置，所述折叠反射镜5远离系统光轴的一侧还设置有探测器6；

所述狭缝1用于接收物镜获得的光谱，并将该光谱细分、入射至前臂补偿透镜组2上，避免了光谱成像系统的光谱混叠；

所述前臂补偿透镜组2由共轴的第一双弯月负透镜21和第二双弯月负透镜22组成；所述前臂补偿透镜组2用于补偿光谱成像系统的离轴像差；

所述光路复用透镜组3由共轴的第一平凸透镜31、第二平凸透镜32、第三双弯月负透镜33和第一双凸透镜34组成；所述光路复用透镜组3用于将光谱准直透射至平面光栅4，再将经平面光栅4色散、反射后的光谱透射汇聚至折叠反射镜5上；

所述平面光栅4对准直光路进行色散，将不同的光谱分离开，实现系统对光谱分辨率的要求；

所述折叠反射镜5用于将光路复用透镜组3透射汇聚的光谱反射至探测器6的靶面上，折叠反射镜5实现了光路的转向，避免狭缝1和探测器6进行干涉，以方便相机的安装。

所述探测器6的像面和相机的光敏面重合，用于将光路复用透镜组3汇聚的光线进行成像。

如图2所示，本实施例中光谱成像系统在边缘视场不同光谱曲线的色畸变曲线图，可得出光谱色畸变小于0.645μm，有效校正了系统的离轴像散，使各波长处的成像质量接近衍射极限。

本实施例中基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统使用时，景物目标产生的光谱经物镜汇聚至狭缝1，光谱穿过狭缝1后依次经过第一双弯月负透镜21和第二双弯月负透镜22补偿光谱成像系统的离轴像差，然后光谱依次经过第一平凸透镜31、第二平凸透镜32、第三双弯月负透镜33和第一双凸透镜34进行透射准直，透射准直后的光谱经过平面光栅4色散、反射后再次进入光路复用透镜组3，光路复用透镜组3对光谱进行透射并汇聚至反射镜5上，光谱经过折叠反射镜5反射至探测器6的靶面上，探测器6对光路复用透镜组3汇聚的光谱进行成像。

本实施例中，狭缝材料为石英，狭缝宽度为12.9μm，狭缝长度6mm，狭缝面型精度优于0.02nm；

平面光栅4采用衍射光栅，衍射光栅的中心厚度为3mm

所述折叠反射镜5的反射面与光轴之间的夹角为45°，折叠反射镜5的中心厚度为10mm。

本实施例中的光谱成像系统具体设计参数如表1所示，其中,每个透镜第一横栏的标准面为其靠近光轴A端的镜面，每个透镜的第二横栏的标准面为其靠近光轴B端的镜面，其中正负号方向设定标准为：沿着光路方向，从A端至B端为正，从B端至A端为负。

本实施例中沿光谱成像系统的光路行径方向上，每个透镜第一横栏的曲率半径代表：靠近光轴A端镜面的曲率半径；

每个透镜第二横栏的曲率半径代表：靠近光轴B端镜面的曲率半径；

每个透镜第一横栏的厚度代表：沿着光路行径方向上每个透镜的中心厚度；

每个透镜第二横栏的厚度代表：相邻透镜之间的空气间隔，该间隔表示：沿着光路行径方向上，每个透镜靠近光轴的B端镜面至下一个光学元件(透镜、光栅、反射镜)靠近光轴A端的镜面。

表1

以上所述仅为本发明的实施例，并非对本发明保护范围的限制，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (5)

1.基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，其特征在于：

包括沿系统光轴方向依次设置的狭缝(1)、前臂补偿透镜组(2)、折叠反射镜(5)、光路复用透镜组(3)和平面光栅(4)；

所述前臂补偿透镜组(2)、光路复用透镜组(3)和平面光栅(4)均共光轴设置，所述狭缝(1)偏向系统光轴的一侧设置，所述折叠反射镜(5)偏向系统光轴的另一侧设置，所述折叠反射镜(5)远离系统光轴的一侧还设置有探测器(6)；

所述狭缝(1)用于接收物镜获得的光谱，并将该光谱细分、入射至前臂补偿透镜组(2)上；

所述前臂补偿透镜组(2)用于补偿光谱成像系统的离轴像差；

所述光路复用透镜组(3)用于将光谱准直透射至平面光栅(4)，再将经平面光栅(4)色散、反射后的光谱透射汇聚至折叠反射镜(5)上；

所述折叠反射镜(5)用于将光路复用透镜组(3)透射汇聚的光谱反射至探测器(6)的靶面上；

所述前臂补偿透镜组(2)由共轴的第一双弯月负透镜(21)和第二双弯月负透镜(22)组成；

所述光路复用透镜组(3)由共轴的第一平凸透镜(31)、第二平凸透镜(32)、第三双弯月负透镜(33)和第一双凸透镜(34)组成；

所述前臂补偿透镜组(2)和光路复用透镜组(3)之间距离为8mm±1mm；

所述光路复用透镜组(3)和平面光栅(4)之间的间距设置为3mm±1mm；

所述第一双弯月负透镜(21)和第二双弯月负透镜(22)之间的距离设置6mm±1mm；

所述第一平凸透镜(31)和第二平凸透镜(32)之间的距离设置2mm±1mm；

所述第二平凸透镜(32)和第三双弯月负透镜(33)之间的距离设置12mm±1mm；

所述第三双弯月负透镜(33)和第一双凸透镜(34)之间的距离设置2mm±1mm；

所述第一双弯月负透镜(21)和第二双弯月负透镜(22)的中心厚度分别为3±1mm、4±1mm；

所述第一平凸透镜(31)、第二平凸透镜(32)、第三双弯月负透镜(33)和第一双凸透镜(34)的中心厚度均为5±1mm；

所述平面光栅(4)的厚度为3±1mm。

2.根据权利要求1所述的基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，其特征在于：所述第一双弯月负透镜(21)由H-LAF61A制成，第二双弯月负透镜(22)由H-BAK8制成；

所述第一平凸透镜(31)由H-LAK53A制成，所述第二平凸透镜(32)由H-ZK3A制成，所述第三双弯月负透镜(33)由H-ZF52GT制成，所述第一双凸透镜(34)由H-LAK4L制成。

3.根据权利要求1所述的基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，其特征在于：所述折叠反射镜(5)的光轴与系统光轴之间的夹角为45°±15°。

4.根据权利要求3所述的基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，其特征在于：所述平面光栅(4)由H-K9L制成。

5.根据权利要求4所述的基于前臂补偿和平面光栅的光谱成像系统，其特征在于：所述折叠反射镜(5)由H-K9L制成。

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