CN113029340B - 一种入射光瞳离轴像映射光谱仪结构 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种入射光瞳离轴像映射光谱仪包括离轴的孔阑(11)、前置透镜组(12)、图像映射器(13)、色散元件(14)、微透镜阵列(15)、成像传感器(16)。通过使孔阑离轴和复用中继透镜组，解决了现有结构中图像像质和光通量相互限制的问题，同时使整体结构更加紧凑，装配更加容易。

Description

一种入射光瞳离轴像映射光谱仪结构
技术领域
本发明涉及一种入射光瞳离轴像映射光谱仪结构及其设计方案，适用于高光谱和多光谱成像领域。
背景技术
像映射光谱仪(Image Mapping Spectromertry,IMS)是一种通过图像映射器把多个共享同一二维倾斜角度的图像切片映射到同一光瞳的快照式光谱成像系统。像映射光谱仪目前在荧光显微技术、体内检查、遥感观测、食品安全检测等民用领域已取得重要进展，同时由于其单次曝光获取全部光谱图像数据的特点，在军用等高时效性需求的领域也具有巨大的发展潜力。
像映射光谱仪系统中的每个光瞳由多个相同二维倾角的切片共享以获得更高的空间分辨率。其中关键的设计步骤是保证进入图像映射器的光束和反射光束无串扰的分离。
现有反射式结构的像映射光谱仪主要有两种：第一种通过改变图像映射器的角度，保证反射光线在导入后续系统的过程中不会和入射光发生串扰。该结构虽然保证了光通量，但是图像映射器倾斜导致成像离焦会使像质变差。第二种结构不改变图像映射器的角度，反射光通过前置透镜组后由环形反射镜或光束分束器导出。该结构虽然保证了图像映射器上的一次成像效果，但是牺牲了光通量，使成像传感器上接收的光强减小。上述两种缺点限制了像映射光谱仪的高通量高像质应用。
现阶段采取结构不能够保证在高光通量的情况下仍然保持高像质，导致像映射光谱仪难以在远距离高像质要求的工作场景中发挥其作用。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术中光通量和图像像质相互制约的缺陷，提出了一种入射光瞳离轴像映射光谱仪结构，该结构同时缩小了系统体积。可应用于高光谱和多光谱成像领域。
本发明的技术解决方案是：一种新的像映射光谱仪结构，通过把孔阑离轴，利用前置透镜组的边缘把光线远心中继到图像映射器上，反射光再次通过同一前置透镜组准直后进入后续系统。此结构下无需倾斜图像映射器，避免了像质下降，也无需使用分束器，从而避免光通量下降。该结构包含离轴的孔阑、前置透镜组、图像映射器、色散元件、微透镜阵列、成像传感器；其中前置透镜组既接受入射光远心中继到图像映射器上，又把反射回来的光重新准直成平行光束，光束经过色散元件进行色散，色散光经过微透镜阵列收集后成像于成像传感器件。
与现有技术相比本发明的有益效果：通过孔阑离轴和复用前置透镜组解决了光通量和图像像质的互相制约的缺点。因为复用前置透镜，所以整体结构更加紧凑，装配难度下降。该结构提高了像映射光谱仪整体的成像质量。
附图说明
图1是总体方案设计结构图。
图2是出射光线位置计算介绍图。
图3是实施例一次成像的成像点列图。
图4是实施例一次成像的MTF曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
本文中所指的坐标是以光轴为z坐标，垂直于光轴平面建立x、y坐标。
本文中所提到的离轴是指孔径光阑中心和前置透镜组的主光轴非共轴。
本文中所提到的前置透镜组可以由球面透镜、非球面透镜、自由曲面透镜等透镜自由组合而成。
本文中所提到的图像映射器由几到几百片二维倾角不相同的切片组成。其中单个切片二维倾角是(αm，βn)，αm表示x方向倾角，βn表示y方向倾角。
如图1所示，本发明是一种入射光瞳离轴的像映射光谱仪包括离轴的孔阑11、前置透镜组12、图像映射器13、色散元件14、微透镜阵列15、成像传感器16。
离轴的孔阑11对整个系统的进入光束大小进行限制，光束经过前置透镜组12远心中继到图像映射器13上成一次实像。然后光束被图像映射器 13的各个切片分割成不同方向的反射光，反射光再次经过前置透镜组12后准直输出。光束经过色散元件14的分光得到光谱信息后，通过微透镜阵列 15在成像传感器16成像。
为进一步说明出瞳入瞳位置，以图2为例：主光线经过离轴的孔阑21入射，入射后经过前置透镜组22中继到图像映射器23，因为图像映射器切片的二维倾角不同，所以会产生不同角度的反射光。反射光经前置透镜组收集后平行出射。
当图像映射器的角度为m×n的阵列，m是x倾角的个数，n是y 倾角的个数。成像传感器的尺寸大小为p×q(p<q)。为保证所有光被成像传感器完整接收，同时整个系统可完整成像,应取p/m，q/n中的较小值为出瞳直径a。由于整体结构对称易知入瞳的直径也为a。
为保证经过前置透镜组前后光束无串扰，应保证离轴距离L≥(p+a/2)/2。
图2以一维倾角为例，根据光瞳离轴距离L和前置透镜组焦距f，可求出光线入射角为arctan(L/f)。根据光路的反射原理，当入射光入射到垂直于光轴24的平面231上其反射光26对称于光轴且角度是arctan(L/f)。因为图像映射器23存在其他倾角，所以光束进入后会产生不同的反射角度。当光线入射到与垂直光轴平面231成βn角度的平面232时，其反射光25与光轴24的角度βy＝arctan(L/f)-2×βn。
根据入射光瞳的中心离轴距离L和前置透镜组焦距f，当图像映射器反射面的二维倾角为(αm，βn)时，反射光线角度为 (αx，βy)＝(2αm，arctan(L/f)-2×βn)，可求出出瞳中心对应位置在xy平面内的坐标位置是(f×tan(2αm)，-f×tan(arctan(L/f)-2×βn))。
在一种实施例中其前置透镜组由三块非球面镜，一块普通球面镜，一块双胶合透镜组成。其排列顺序依次为非球面镜，普通球面镜，双胶合透镜，非球面镜，非球面镜。
所述实例中使用的图像映射器的大小为30mm×30mm，即前置透镜组的像面大小为30mm×30mm的矩形。焦距为60mm，视场±15°。
所述实施例中的入射光阑的离轴量为7.5mm，光阑大小为5mm。
所述实施例经过前置透镜组成的一次像的rms半径均在衍射极限内，得到的一次成像结果符合要求。
所述实施例中的图像映射器的角度为5×4的阵列。在光束二次经过前置透镜组后，经过色散元件和5×4的微透镜阵列后成像在24mm×36mm 的成像传感器上得到的成像结果符合要求。
文中结合附图对该结构的原理和具体的实施方式进行了详细的阐述。此外对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式即应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书的内容不应理解为对本发明的限制，一切利用本发明思想的应用和发明创造均在保护之列。

Claims (2)

1.一种入射光瞳离轴像映射光谱仪包括离轴的孔阑(11)、前置透镜组(12)、图像映射器(13)、色散元件(14)、微透镜阵列(15)、成像传感器(16)。其特征为孔阑和前置透镜组的光轴不重合，并且复用前置透镜组。离轴的孔阑(11)作为整个系统的进入光束大小的限制，光束经过前置透镜组，以像方远心光束中继在图像映射器(13)上成一次实像。图像映射器(13)由几到几百片二维角度不同的切片组成。光束经过图像映射器(13)各个切片反射出不同角度的光束，反射光再次经过前置透镜组(12)后被准直输出，经过色散元件(14)的分光得到光谱信息后通过微透镜阵列(15)在成像传感器(16)成像。其中复用的前置透镜组可以由球面透镜、非球面透镜、自由曲面透镜自由组合而成。离轴的孔阑(11)的定位方法：设光谱仪的光轴为z轴，以光轴为原点，垂直于光轴的平面做xy坐标，图像映射器的二维倾角为(αm，βn)，其中αm是x方向倾角，βn是y方向倾角，m是x方向倾角的个数，n是y方向倾角的个数，此时二维倾角为m×n的阵列，同时设成像传感器的尺寸大小为p×q(p<q)。为保证所有光被成像传感器完整接收，同时出瞳处的微透镜阵列互不干涉，应取p/m和q/n中的较小值为出瞳直径a。同时由于本像映射光谱仪是1:1共轭，则入瞳直径也为a。为保证经过前置透镜组前后光束无串扰，应保证入射光瞳的中心离轴距离L≥(p+a/2)/2。
2.根据权利要求1所述的入射光瞳离轴像映射光谱仪，该入射光瞳离轴像映射光谱仪所述的微透镜阵列(15)的定位方法：设光谱仪的光轴为z轴，以光轴为原点，垂直于光轴的平面做x、y坐标，当入射光瞳的中心离轴距离为L，图像映射器反射面的二维倾角为(αm，βn)时，根据光瞳离轴距离和前置透镜组(12)焦距为f，反射光线角度为(αx，βy)＝(2αm，arctan(L/f)-2×βn)，由该角度可求出出瞳中心(微透镜)对应位置在xy平面内的坐标位置是(f×tan(2αm)，-f×tan(arctan(L/f)-2×βn))。
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Families Citing this family (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113447241B (zh) * 2021-06-29 2022-03-25 北京航空航天大学 分割投影成像系统的快速定标方法及装置
CN114137735B (zh) * 2021-12-13 2022-11-25 北京航空航天大学 一种大孔径长截距的ims光谱成像系统准直镜头
CN116026464A (zh) * 2023-03-29 2023-04-28 合肥中科红外精密仪器有限公司 基于分切镜的快照式红外高光谱成像系统及方法

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101464256A (zh) * 2009-01-14 2009-06-24 北京航空航天大学 偏振光谱仪的偏振精度定标系统
CN102265124A (zh) * 2008-11-04 2011-11-30 威廉马什赖斯大学 像映射光谱仪
CN102279009A (zh) * 2010-03-29 2011-12-14 株式会社三丰 光学编码器
CN102591018A (zh) * 2012-01-20 2012-07-18 中国科学院上海技术物理研究所 基于dmd的红外场景仿真器的场镜光学构架
CN109708759A (zh) * 2018-12-28 2019-05-03 中国计量大学 一种基于叠层玻璃映射的成像光谱仪

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2006084479A1 (en) * 2005-02-12 2006-08-17 Carl Zeiss Smt Ag Microlithographic projection exposure apparatus

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102265124A (zh) * 2008-11-04 2011-11-30 威廉马什赖斯大学 像映射光谱仪
CN101464256A (zh) * 2009-01-14 2009-06-24 北京航空航天大学 偏振光谱仪的偏振精度定标系统
CN102279009A (zh) * 2010-03-29 2011-12-14 株式会社三丰 光学编码器
CN102591018A (zh) * 2012-01-20 2012-07-18 中国科学院上海技术物理研究所 基于dmd的红外场景仿真器的场镜光学构架
CN109708759A (zh) * 2018-12-28 2019-05-03 中国计量大学 一种基于叠层玻璃映射的成像光谱仪

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Doubling the field of view in off-axis low-coherence interferometric imaging;Pinhas Girshovitz et al.;《Science & Applications》;20140314;第10页 *
用光路分析实现分光计的快速调节;王仁洲;《科技视界》;20141231;第1-9页 *

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