CN115479667A - 光谱成像系统 - Google Patents

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CN115479667A CN202211009057.9A CN202211009057A CN115479667A CN 115479667 A CN115479667 A CN 115479667A CN 202211009057 A CN202211009057 A CN 202211009057A CN 115479667 A CN115479667 A CN 115479667A
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lens group
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spectral imaging
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张雷梦婷
李伸朋
胡森虎
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Abstract

本发明的一种光谱成像系统，通过对接收信号光会聚，并利用小孔或狭缝提高信噪比，后经光学系统准直，并采用色散元件色散后，再次聚焦于像面，会聚区域光谱分布由λ1到λn，从y方向自下往上依次为由短波谱到长波谱依次排布或由长波谱到短波谱依次排布，有利于控制光斑尺寸，实现了分波谱成像的功能，第二透镜组G2中首枚与最后一枚透镜之间至少存在一枚负光焦度透镜，该负光焦度透镜的前后透镜组整体为正光焦度，形成正‑负‑正结构形态，有利于矫正场曲，提高外视场成像质量。第三透镜组G4也是正‑负‑正的结构形态，两个正‑负‑正结构放于色散元件两侧，有利于矫正轴外相差。

Description

光谱成像系统
技术领域
本发明涉及光学成像领域，尤其涉及一种光谱成像系统。
背景技术
光谱仪，是一种可实现复杂复色光的分解和测量的仪器。复色光进入光谱仪后，可被分光元件分解成不同的单色光，对单色光收集和处理可得到光谱。因此，光谱仪被广泛应用于光辐射测量、环境污染检测、元素分析、地质分析和食品安全检测等领域。常用的光谱仪依据分光器件类型可分为：色散型、干涉型和滤光片型光谱仪。
棱镜光谱仪属于色散型光谱仪，利用棱镜对不同波长的光的折射率不同的原理，可将复色光分解成单色光；光栅光谱仪则利用光栅的衍射特性将复色光分解成单色光。
现有技术中，光谱仪的设计大多只能将数值孔径做到0.25，进光量不足，且仅能覆盖波段近红外或可见光，这就导致了成像光斑尺寸大，测试精度不足的问题。
发明内容
本发明的目的在于解决上述问题，提供一种将混合波谱光源重新成像，并以不同光谱成像位置不同的形式排列于像面的光谱成像系统，增大孔径数值，保证成像光斑大小，提升测试精度。
为实现上述目的，本发明提供一种光谱成像系统，用于获取光源的光谱信息，所述光谱成像系统沿光源至像面依次包括：
用于接收并会聚光信号的第一透镜组，所述第一透镜组至少设置有一个光焦度为正的透镜；
具有准直功能的第二透镜组；
具有色散功能的分光元件；
用于将分光元件分散的光谱会聚成像的第三透镜组；
所述第二透镜组中首枚与最后一枚透镜之间至少存在一枚负光焦度透镜，第三透镜组中首枚与最后一枚透镜之间至少存在一枚负光焦度透镜。
在上述技术方案中，所述第一透镜组、所述第二透镜组和所述第三透镜组中的透镜总数不少于17枚。
在上述技术方案中，所述第一透镜组与所述第二透镜组之间设置有小孔或狭缝。
在上述技术方案中，所述第一透镜组至少含有六枚透镜，至少一枚透镜的阿贝数满足Vd1＜40，且至少一枚透镜的折射率满足nd＞1.7。
在上述技术方案中，所述第二透镜组中至少含有5枚透镜，首枚透镜为弯月透镜，弯曲朝向狭缝或小孔，最后一枚透镜具有正光焦度。
在上述技术方案中，所述第二头透镜组中至少一枚光焦度为负的透镜设置于反射元件与最后一枚透镜之间。
在上述技术方案中，所述第二透镜组包括至少一枚阿贝数Vd2小于40 的透镜，且包括至少一枚折射率nd大于1.7的透镜。
在上述技术方案中，所述第三透镜组至少包括六枚透镜，零视场外光线与主光线在所述第三透镜组的首枚镜片的入射高度差H1与零视场外光线与主光线在所述第三透镜组最低的入射高度差H2满足如下关系：0.2＜ H1/H2＜0.5。
在上述技术方案中，所述第三透镜组中至少包括一枚透镜的阿贝数 Vd3小于40，至少包括一枚透镜的折射率nd大于1.7。
在上述技术方案中，所述光谱成像系统的成像范围为450nm-1150nm。
在上述技术方案中，所述第一透镜组或所述第二透镜组中至少包含一个用于转折光路的反射元件，反射元件与小孔或狭缝之间的距离在5～40mm 范围内，反射元件与色散元件之间的距离大于40mm。
在上述技术方案中，所述第三透镜组中最靠近像面的透镜为弯月透镜，弯月方向朝向像面。
本发明的一种光谱成像系统，通过对接收信号光会聚，并利用小孔或狭缝提高信噪比，后经光学系统准直，并采用色散元件色散后，再次聚焦于像面，会聚区域光谱分布由λ1到λn，从y方向自下往上依次为由短波谱到长波谱依次排布或由长波谱到短波谱依次排布，有利于控制光斑尺寸，实现了分波谱成像的功能，通过对成像系统会聚区域的光谱成像分析其能量、位置等信息，通过软件算法分析出光源包含的光谱信息及各光谱能量值，并通过合理配置透镜方式，使该系统同时具备高的光谱分辨率和宽的光谱范围，且采用转折式设计方案可以压缩系统所占空间，使得系统整体趋于小型化，适用于对外形尺寸的长宽有要求的仪器中，第二透镜组G2 中首枚与最后一枚透镜之间至少存在一枚负光焦度透镜，该负光焦度透镜的前后透镜组整体为正光焦度，形成正-负-正结构形态，有利于矫正场曲，提高外视场成像质量。第三透镜组G4也是正-负-正的结构形态，两个正- 负-正结构放于色散元件两侧，有利于矫正轴外相差。
本发明可将数值孔径达到0.3以上，设计波段覆盖可见光和近红外波段，最大视场可以达到30mm，且保证全视场成像光斑尺寸小于10um，从而提升测试精度。
附图说明
图1为本发明中实施例1的转折式光谱成像系统的平面示意图；
图2为本发明中实施例1的转折式光谱成像系统的0视场光谱分布图；
图3为本发明中实施例1的转折式光谱成像系统的450nm光谱的全视场横向像差图；
图4为本发明中实施例1的转折式光谱成像系统的500nm光谱的全视场横向像差图；
图5为本发明中实施例1的转折式光谱成像系统的650nm光谱的全视场横向像差图；
图6为本发明中实施例2的转折式光谱成像系统的平面示意图；
图7为本发明中实施例2的转折式光谱成像系统的0视场光谱分布图；
图8为本发明中实施例2的转折式光谱成像系统的450nm光谱的全视场横向像差图；
图9为本发明中实施例2的转折式光谱成像系统的500nm光谱的全视场横向像差图；
图10为本发明中实施例2的转折式光谱成像系统的650nm光谱的全视场横向像差图；
图11为本发明中实施例3的转折式光谱成像系统的平面示意图；
图12为本发明中实施例3的转折式光谱成像系统的0视场光谱分布图；
图13为本发明中实施例3的转折式光谱成像系统的700nm光谱的全视场横向像差图；
图14为本发明中实施例3的转折式光谱成像系统的900nm光谱的全视场横向像差图；
图15为本发明中实施例3的转折式光谱成像系统的1150nm光谱的全视场横向像差图。
具体实施方式
为了更清楚地说明本发明实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对实施方式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方式，对于本领域普通技术人员而言，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的附图。
在针对本发明的实施方式进行描述时，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”所表达的方位或位置关系是基于相关附图所示的方位或位置关系，其仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此上述术语不能理解为对本发明的限制。
下面结合附图和具体实施方式对本发明作详细地描述，实施方式不能在此一一赘述，但本发明的实施方式并不因此限定于以下实施方式。
如图1至图15所示，本发明的一种光谱成像系统，用于获取光源的光谱信息，所述光谱成像系统沿光源至像面依次包括：
用于接收并会聚光信号的第一透镜组(G1)，所述第一透镜组(G1) 至少设置有一个光焦度为正的透镜；
具有准直功能的第二透镜组(G2)；
具有色散功能的分光元件(G3)；
用于将分光元件分散的光谱会聚成像的第三透镜组(G4)；
所述第二透镜组(G2)中首枚与最后一枚透镜之间至少存在一枚负光焦度透镜，第三透镜组(G4)中首枚与最后一枚透镜之间至少存在一枚负光焦度透镜。
在该实施例中，通过对接收信号光会聚，并利用小孔或狭缝提高信噪比，后经光学系统准直，并采用色散元件色散后，再次聚焦于像面，即第一透镜组G1、第二透镜组G2、分光元件G3和第三透镜组G4共同作用，将混合波谱光源重新成像，并以不同光谱成像位置不同的形式排列于像面，会聚区域光谱分布由λ1到λn，从y方向自下往上依次为由短波谱到长波谱依次排布或由长波谱到短波谱依次排布，有利于控制光斑尺寸，实现了分波谱成像的功能，通过对成像系统会聚区域的光谱成像分析其能量、位置等信息，通过软件算法分析出光源包含的光谱信息及各光谱能量值，并通过合理配置透镜方式，使该系统同时具备高的光谱分辨率和宽的光谱范围。
本发明可将数值孔径达到0.3以上，设计波段覆盖可见光和近红外波段，最大视场可以达到30mm，且保证全视场成像光斑尺寸小于10um，从而提升测试精度。
进一步地，第二透镜组G2中首枚与最后一枚透镜之间至少存在一枚负光焦度透镜，该负光焦度透镜的前后透镜组整体为正光焦度，形成正-负- 正结构形态，有利于矫正场曲，提高外视场成像质量。第三透镜组G4也是正-负-正的结构形态，两个正-负-正结构放于色散元件两侧，有利于矫正轴外相差。
其中，会聚区域即位于像面上。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述第一透镜组G1、所述第二透镜组G2和所述第三透镜组G4中的透镜总数不少于17枚。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述第一透镜组(G1)与所述第二透镜组G2之间设置有小孔或狭缝。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述第一透镜组G1至少含有六枚透镜，至少一枚透镜的阿贝数满足Vd1＜40，且至少一枚透镜的折射率满足Nd1＞1.7。
在该实施例中，至少一枚透镜的阿贝数满足Vd1＜40，以校正球差和外视场像差；至少一枚透镜的折射率满足Nd1＞1.7，以校正球差和外视场像差。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述第二透镜组G2中至少含有5 枚透镜，首枚透镜为弯月透镜，弯曲朝向狭缝或小孔，最后一枚透镜具有正光焦度。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述第二头透镜组G2中至少一枚光焦度为负的透镜设置于反射元件与最后一枚透镜之间。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述第二透镜组G2包括至少一枚阿贝数Vd2小于40的透镜，且包括至少一枚折射率nd大于1.7的透镜。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述第三透镜组G4至少包括六枚透镜，零视场外光线与主光线在所述第三透镜组G4的首枚镜片的入射高度差H1与零视场外光线与主光线在所述第三透镜组G4最低的入射高度差 H2满足如下关系：0.2＜H1/H2＜0.5。
在该实施例中，结构形态属于高斯结构的一种变形形态，光线最低部位前后两个部分主要作用不同，靠近衍射元件部分主要用于校正场曲，相对地，靠近探测器部分主要用于校正倍率色差。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述第三透镜组G4中至少包括一枚透镜的阿贝数Vd3小于40，至少包括一枚透镜的折射率nd大于1.7。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述光谱成像系统的成像范围为 450nm-1150nm。
在本发明的一个实施例中，优选地，所述第一透镜组G1或所述第二透镜组G2中至少包含一个用于转折光路的反射元件，反射元件与小孔或狭缝之间的距离在5～40mm范围内，反射元件与色散元件之间的距离大于 40mm。
在该实施例中，狭缝与反射元件距离近可有效减小镜片口径，节约成本、节省空间，提升空间利用率，反射元件与色散元件之间距离短，有利于降低横向尺寸，减小设备体积。
在本发明的一个实施例中，优选地，光源所在平面与最佳会聚面可以不是180度关系，依据外观尺寸及便捷美观自行设计该角度。
以下以四个具体的实施例来具体说明该光谱成像系统。在下列各个具体的实施例中，将胶合透镜的胶合面记为一面，例如由2枚透镜胶合组成的一个双胶合透镜共有3个面。
实施例1
本实施例转折式光谱成像系统的第一部分由上至下包括顺次设置的：第七镜片L7平凸形镜片、第六镜片L6为弯月镜片，朝向入射光信号方向，第五片L5为平凸镜片，平面朝向入射光信号，第四镜片L4为弯月镜片，背离入射光信号方向，第三片L3为双凹镜片，第二片镜片L2为弯月镜片，背离入射光信号方向，第一片镜片L1为双凸镜片。
本实施例转折式光谱成像系统的第二部分包括顺次设置的：第八镜片 L8弯月形镜片，朝向狭缝，反射棱镜对光路做90度转折，第九镜片L9弯月镜片，朝向反射棱镜，第十镜片L10，光焦度为正，第十一镜片L11，光焦度为负，第十二镜片L12弯月镜片，朝向反射棱镜，第十三镜片L13，平凸镜片。
本实施例转折式光谱成像系统的第三部分包括顺次设置的：反射光栅 D14。
本实施例转折式光谱成像系统的第四部分包括顺次设置的：第十五镜片L15为平凸镜片平面朝向探测器，、第十六镜片L16为弯月镜片，第十七片L17为负光焦度镜片，第十八镜片L18为负光焦度镜片，第十九镜片 L19为弯月镜片，朝向光栅方向。第二十镜片L20，为双凸镜片，第二十一镜片L21，为弯月镜片，朝向探测器。
作为一种具体的实施例，本实施例的光谱成像系统，光谱范围为 450nm～650nm。第二透镜组G2里的反射元件与分光元件G3里的色散元件对光线进行转折，形成转折式光谱成像系统。
转折式光谱成像系统的第一透镜组G1中各透镜的相关参数，包括曲率半径R值、厚度、材料的折射率Nd和阿贝数Vd，如下表1所示：
表面 R值(mm) 厚度(mm) Nd Vd
S1 Infinity 7 1.85 24
S2 -88.2 0.2
S3 151.4 6 1.62 60
S4 207.3 0.2
S5 121.5 6 1.62 60
S6 Infinity 12
S7 -201.1 8 1.62 60
S8 -88.2 1
S9 -107.5 7 1.85 24
S10 207.3 7
S11 -207.3 6 1.88 39
S12 -88.2 0.2
S13 357.6 8 1.62 60
S14 -157.5
表1
转折式光谱成像系统的第二透镜组G2中各透镜的相关参数，包括曲率半径R值、厚度、材料的折射率Nd和阿贝数Vd，如下表2所示：
Figure BDA0003810096870000081
Figure BDA0003810096870000091
表2
转折式光谱成像系统的分光元件G3为光栅。
转折式光谱成像系统的第三透镜组G4中各透镜的相关参数，包括曲率半径R值、厚度、材料的折射率Nd和阿贝数Vd，如下表3所示：
表面 R值(mm) 厚度(mm) Nd Vd
S1 -61.3 10 1.62 60
S2 Infinity 0.5
S3 -41.4 10 1.62 60
S4 -39.9 6 1.85 24
S5 -58.3 3
S6 -175.6 7 1.85 24
S7 -15.7 9
S9 20.1 9 1.62 60
S10 25.4 0.5
S11 -25.4 9 1.62 60
S12 83.1 0.5
S13 -21.5 8 1.62 60
S14 -37.4
表3
其中，R值是指表面的曲率半径，厚度是指当前表面到下一个表面的轴上距离，例如表面S1的厚度即为S1到S2的距离，其可能是介质或透镜的轴上厚度，也可能是它们之间的轴上空气间隙。
另外，零视场外光线与主光线在G4的第一片镜片入射高度差H1与零视场外光线与主光线在G4最低的入射高度差H2的比值关系为：H2/H1＝0.35。
图1为实施例1的转折式光谱成像系统的平面示意图，第一透镜组G1 包含七枚透镜，第二透镜组G2包含六枚透镜，分光元件G3为色散元件 D14，第三透镜组G4包含七枚透镜，并在像面实现分色聚焦。
图2为实施例1的转折式光谱成像系统的0视场光谱分布图，由下至上光谱分布从450nm-650nm依次排开，点列图可以看出光斑尺寸控制结果较好，且实现了分波谱成像的功能。
图3为实施例1的转折式光谱成像系统的450nm光谱的全视场横向像差图，其中横坐标PY、PX代表归一化入瞳尺寸，纵坐标代表横向像差，标尺为±20微米，Y方向为子午方向，X方向为弧矢方向。
图4为实施例1的转折式光谱成像系统的500nm光谱的全视场横向像差图，其中横坐标PY、PX代表归一化入瞳尺寸，纵坐标代表横向像差，标尺为±20微米，Y方向为子午方向，X方向为弧矢方向。
图5为实施例1的转折式光谱成像系统的650nm光谱的全视场横向像差图，其中横坐标PY、PX代表归一化入瞳尺寸，纵坐标代表横向像差，标尺为±20微米，Y方向为子午方向，X方向为弧矢方向。
实施例2
本实施例转折式光谱成像系统的第一部分由上至下包括顺次设置的：第七镜片L7平凸形镜片、第六镜片L6为弯月镜片，朝向入射光信号方向，第五片L5为平凸镜片，平面朝向入射光信号，第四镜片L4为弯月镜片，背离入射光信号方向，第三片L3为双凹镜片，第二片镜片L2为弯月镜片，背离入射光信号方向，第一片镜片L1为双凸镜片。
本实施例中转折式光谱成像系统的第二部分包括顺次设置的：第八镜片L8弯月形镜片，朝向狭缝，反射平面镜对光路做90度转折，第九镜片 L9弯月镜片，朝向反射平面镜，第十镜片L10弯月镜片，朝向反射平面镜，第十一镜片L11，光焦度为正，第十二镜片L12，光焦度为负，第十三镜片 L13弯月镜片，朝向反射平面镜，第十四镜片L14，平凸镜片。
本实施例中的转折式光谱成像系统的分光元件G3为反射光栅D15。
本实施例中的转折式光谱成像系统的第四部分包括顺次设置的：第十六镜片L16为弯月镜片朝向像面、第十七镜片L17为弯月镜片朝向像面，第十八片L18为负光焦度镜片，第十九镜片L19为负光焦度镜片，第二十镜片L20为负光焦度镜片，第二十一镜片L21，弯月镜片朝向反射光栅，第二十二镜片L22，为双凸镜片，第二十三镜片L23为弯月镜片，朝向探测器。
作为一种具体的实施例，本实施例的光谱成像系统，光谱范围为 450nm～650nm。第二透镜组G2里的反射元件与分光元件G3里的色散元件对光线进行转折，形成转折式光谱成像系统。
转折式光谱成像系统的第一透镜组G1中各透镜的相关参数，包括曲率半径R值、厚度、材料的折射率Nd和阿贝数Vd，如下表4所示：
表面 R值(mm) 厚度(mm) Nd Vd
S1 Infinity 7 1.85 24
S2 -88.2 0.2
S3 151.4 6 1.62 60
S4 207.3 0.2
S5 121.5 6 1.62 60
S6 Infinity 12
S7 -201.1 8 1.62 60
S8 -88.2 1
S9 -107.5 7 1.85 24
S10 207.3 7
S11 -207.3 6 1.88 39
S12 -88.2 0.2
S13 357.6 8 1.62 60
S14 -157.5
表4
转折式光谱成像系统的第二透镜组G2中各透镜的相关参数，包括曲率半径R值、厚度、材料的折射率Nd和阿贝数Vd，如下表5所示：
表面 R值(mm) 厚度(mm) Nd Vd
S1 -19.4 5 1.85 24
S2 -32.8 27
S3 -39.4 6 1.88 39
S4 -28.9 8 1.62 60
S5 -37.5 20
S6 -221.8 8 1.62 60
S7 -47.1 4 1.85 24
S8 -221.8 8
S9 -221.8 7 1.85 24
S10 -75.6 0.2
S11 Infinity 7 1.62 60
S12 -75.6 5
表5
转折式光谱成像系统的分光元件G3为光栅。
转折式光谱成像系统的第三透镜组G4透镜中各透镜的相关参数，包括曲率半径R值、厚度、材料的折射率Nd和阿贝数Vd，如下表6所示：
Figure BDA0003810096870000121
Figure BDA0003810096870000131
表6
其中，半径是指表面的曲率半径，厚度是指当前表面到下一个表面的轴上距离，例如表面S1的厚度即为S1到S2的距离，其可能是介质或透镜的轴上厚度，也可能是它们之间的轴上空气间隙。
另外，零视场外光线与主光线在G4的第一片镜片入射高度差H1与零视场外光线与主光线在G4最低的入射高度差H2的比值关系为： H2/H1＝0.28。
图6为实施例2的转折式光谱成像系统的平面示意图，第一透镜组G1 包含七枚透镜，第二透镜组G2包含七枚透镜，分光元件G3包含色散元件 D15，第三透镜组G4包含八枚透镜，并在像面实现分色聚焦。
图7为实施例2的转折式光谱成像系统的0视场光谱分布图，由下至上光谱分布从450nm-650nm依次排开，点列图可以看出光斑尺寸控制结果较好，且实现了分波谱成像的功能。
图8为实施例2的转折式光谱成像系统的450nm光谱的全视场横向像差图，其中横坐标PY、PX代表归一化入瞳尺寸，纵坐标代表横向像差，标尺为±20微米，Y方向为子午方向，X方向为弧矢方向。
图9为实施例2的转折式光谱成像系统的500nm光谱的全视场横向像差图，其中横坐标PY、PX代表归一化入瞳尺寸，纵坐标代表横向像差，标尺为±20微米，Y方向为子午方向，X方向为弧矢方向。
图10为实施例2的转折式光谱成像系统的650nm光谱的全视场横向像差图，其中横坐标PY、PX代表归一化入瞳尺寸，纵坐标代表横向像差，标尺为±20微米，Y方向为子午方向，X方向为弧矢方向。
实施例3
本实施例转折式光谱成像系统的第一部分由上至下包括顺次设置的：第六镜片L6为弯月镜片，背离入射光信号方向，第五片L5为弯月镜片，背离入射光信号方向，第四镜片L4为弯月镜片，背离入射光信号方向，第三片L3为平凸镜片，平面朝向入射光信号，第二片镜片L2为弯月镜片，朝向入射光信号方向，第一片镜片L1为平凹镜片，凹面朝向光信号方向。
本实施例中转折式光谱成像系统的第二部分包括顺次设置的：第七镜片L7弯月形镜片，朝向狭缝，反射平面镜对光路做90度转折，第八镜片 L8弯月镜片，朝向反射平面镜，第九镜片L9弯月镜片，朝向反射平面镜，第十镜片L10，光焦度为正，第十一镜片L11，光焦度为负，第十二镜片 L12弯月镜片，朝向反射平面镜，第十三镜片L13，平凸镜片。平面朝向反射平面镜。
本实施例中的转折式光谱成像系统的分光元件G3为反射光栅D14。
本实施例中的转折式光谱成像系统的第四部分包括顺次设置的：第十五镜片L15为平凸镜片平面朝向探测器、第十六镜片L16为弯月镜片朝向探测器，第十七片L17为负光焦度镜片，第十八镜片L18为负光焦度镜片，第十九镜片L19为弯月镜片，背离探测器方向，第二十镜片L20，为双凸镜片，第二十一镜片L21为弯月镜片，朝向探测器。
作为一种具体的实施例，本实施例的光谱成像系统，光谱范围为 700nm～1150nm。第二透镜组G2里的反射元件与分光元件G3里的色散元件对光线进行转折，形成转折式光谱成像系统。
转折式光谱成像系统的第一透镜组G1中各透镜的相关参数，包括曲率半径R值、厚度、材料的折射率Nd和阿贝数Vd，如下表7所示：
Figure BDA0003810096870000141
Figure BDA0003810096870000151
表7
转折式光谱成像系统的第二透镜组G2中各透镜的相关参数，包括曲率半径R值、厚度、材料的折射率Nd和阿贝数Vd，如下表8所示：
表面 R值(mm) 厚度(mm) Nd Vd
S1 -14.5 5 1.85 24
S2 -15.9 27
S3 -54.2 6 1.88 39
S4 -25.7 8 1.62 60
S5 -33.3 20
S6 -215.7 8 1.62 60
S7 -33.3 4 1.85 24
S8 -355.6 8
S9 -71.9 7 1.85 24
S10 -67.1 0.2
S11 Infinity 7 1.62 60
S12 -66.5
表8
转折式光谱成像系统的分光元件G3为光栅。
转折式光谱成像系统的第三透镜组G4中各透镜的相关参数，包括曲率半径R值、厚度、材料的折射率Nd和阿贝数Vd，如下表9所示：
表面 R值(mm) 厚度(mm) Nd Vd
S1 -44.1 12 1.85 24
S2 Infinity 0.5
S3 -44.1 10 1.88 39
S4 -31.8 4 1.62 60
S5 -44.1 3
S6 105.2 25 1.62 60
S7 -17.6 8 1.85 24
S8 24.1 0.2
S9 31.8 10 1.85 24
S10 -67.4 0.2
S11 105.2 9 1.62 60
S12 -39.4
表9
其中，半径是指表面的曲率半径，厚度是指当前表面到下一个表面的轴上距离，例如表面S1的厚度即为S1到S2的距离，其可能是介质或透镜的轴上厚度，也可能是它们之间的轴上空气间隙。
另外，零视场外光线与主光线在G4的第一片镜片入射高度差H1与零视场外光线与主光线在G4最低的入射高度差H2的比值关系为： H2/H1＝0.41。
图11为实施例3的转折式光谱成像系统的平面示意图，第一透镜组 G1包含六枚透镜，第二透镜组G2包含七枚透镜，分光元件G3包含色散元件D14，第三透镜组G4包含七枚透镜，并在像面实现分色聚焦。
图12为实施例3的转折式光谱成像系统的0视场光谱分布图，由下至上光谱分布从700nm-1150nm依次排开，点列图可以看出光斑尺寸控制结果较好，且实现了分波谱成像的功能。
图13为实施例3的转折式光谱成像系统的700nm光谱的全视场横向像差图，其中横坐标PY、PX代表归一化入瞳尺寸，纵坐标代表横向像差，标尺为±20微米，Y方向为子午方向，X方向为弧矢方向。
图14为实施例3的光谱成像系统转折式光谱成像系统的900nm光谱的全视场横向像差图，其中横坐标PY、PX代表归一化入瞳尺寸，纵坐标代表横向像差，标尺为±20微米，Y方向为子午方向，X方向为弧矢方向。
图15为实施例3的转折式光谱成像系统的1150nm光谱的全视场横向像差图，其中横坐标PY、PX代表归一化入瞳尺寸，纵坐标代表横向像差，标尺为±20微米，Y方向为子午方向，X方向为弧矢方向。
本发明的一种光谱成像系统，通过对接收信号光会聚，并利用小孔或狭缝提高信噪比，后经光学系统准直，并采用色散元件色散后，再次聚焦于像面，会聚区域光谱分布由λ1到λn，从y方向自下往上依次为由短波谱到长波谱依次排布或由长波谱到短波谱依次排布，有利于控制光斑尺寸，实现了分波谱成像的功能，通过对成像系统会聚区域的光谱成像分析其能量、位置等信息，通过软件算法分析出光源包含的光谱信息及各光谱能量值，并通过合理配置透镜方式，使该系统同时具备高的光谱分辨率和宽的光谱范围，且采用转折式设计方案可以压缩系统所占空间，使得系统整体趋于小型化，适用于对外形尺寸的长宽有要求的仪器中，第二透镜组G2 中首枚与最后一枚透镜之间至少存在一枚负光焦度透镜，该负光焦度透镜的前后透镜组整体为正光焦度，形成正-负-正结构形态，有利于矫正场曲，提高外视场成像质量。第三透镜组G4也是正-负-正的结构形态，两个正- 负-正结构放于色散元件两侧，有利于矫正轴外相差。
本发明可将数值孔径达到0.3以上，设计波段覆盖可见光和近红外波段，最大视场可以达到30mm，且保证全视场成像光斑尺寸小于10um，从而提升测试精度。
以上所述仅为本发明的一个实施方式而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种光谱成像系统，其特征在于，用于获取光源的光谱信息，所述光谱成像系统沿光源至像面依次包括：
用于接收并会聚光信号的第一透镜组(G1)，所述第一透镜组(G1)至少设置有一个光焦度为正的透镜；
具有准直功能的第二透镜组(G2)；
具有色散功能的分光元件(G3)；
用于将分光元件分散的光谱会聚成像的第三透镜组(G4)；
所述第二透镜组(G2)中首枚与最后一枚透镜之间至少存在一枚负光焦度透镜，第三透镜组(G4)中首枚与最后一枚透镜之间至少存在一枚负光焦度透镜。
2.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述第一透镜组(G1)、所述第二透镜组(G2)和所述第三透镜组(G4)中的透镜总数不少于17枚。
3.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述第一透镜组(G1)与所述第二透镜组(G2)之间设置有小孔或狭缝。
4.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述第一透镜组(G1)至少含有六枚透镜，至少一枚透镜的阿贝数满足Vd1＜40，且至少一枚透镜的折射率满足nd＞1.7。
5.根据权利要求3所述的光谱成像系统，其特征在于，所述第二透镜组(G2)中至少含有5枚透镜，首枚透镜为弯月透镜，弯曲朝向狭缝或小孔，最后一枚透镜具有正光焦度。
6.根据权利要求5所述的光谱成像系统，其特征在于，所述第二头透镜组(G2)中至少一枚光焦度为负的透镜设置于反射元件与最后一枚透镜之间。
7.根据权利要求6所述的光谱成像系统，其特征在于，所述第二透镜组(G2)包括至少一枚阿贝数Vd2小于40的透镜，且包括至少一枚折射率nd大于1.7的透镜。
8.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述第三透镜组(G4)至少包括六枚透镜，零视场外光线与主光线在所述第三透镜组(G4)的首枚镜片的入射高度差H1与零视场外光线与主光线在所述第三透镜组(G4)最低的入射高度差H2满足如下关系：0.2＜H1/H2＜0.5。
9.根据权利要求8所述的光谱成像系统，其特征在于，所述第三透镜组(G4)中至少包括一枚透镜的阿贝数Vd3小于40，至少包括一枚透镜的折射率nd大于1.7。
10.根据权利要求1所述的光谱成像系统，其特征在于，所述光谱成像系统的成像范围为450nm-1150nm。
11.根据权利要求3所述的光谱成像系统，其特征在于，所述第一透镜组(G1)或所述第二透镜组(G2)中至少包含一个用于转折光路的反射元件，反射元件与小孔或狭缝之间的距离在5～40mm范围内，反射元件与色散元件之间的距离大于40mm。
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