CN117452538A - 基于窄谱段色差校正的多孔径透镜阵列组件及其光学系统 - Google Patents

基于窄谱段色差校正的多孔径透镜阵列组件及其光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件及其光学系统，包括滤光片阵列和透镜阵列，所述透镜阵列置于滤光片阵列后且置于像面前；所述滤光片阵列由6个子滤光单元组成，各子滤光单元呈两列三排阵列分布，所述子滤光单元为带通滤光片；通过滤光片阵列滤光所述透镜阵列包含6个子透镜，所述子透镜选用双凸非球面透镜，且在双凸非球面透镜表面镀响应波长的增透膜，各子透镜之间通过发黑的铝板隔开以抑制杂散光，各子透镜与子滤光单元一一对应，不同位置的透镜透过不同波长的光线。本发明一种基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件及其光学系统在抑制多孔径透镜阵列杂散光的基础上，能实现窄带波段的色差校正。

Description

基于窄谱段色差校正的多孔径透镜阵列组件及其光学系统
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，具体涉及基于窄谱段色差校正的多孔径透镜阵列组件及其光学系统。
背景技术
光谱成像技术从十九世纪发展至今，已衍生出几十种方法。传统的光谱成像技术主要采用扫描的方式获取目标场景的三维数据立方体，但是由于扫描需要一定时间，并且涉及到的一些移动部件，实时性和稳定性较差。相对而言，快照式的光谱成像技术可在单个积分时间内就可获得完整的三维数据立方体，实时性较强。在快照式光谱成像技术中，具有代表性的基于透镜阵列和滤光片的多孔径光谱成像方法原理简单，结构紧凑，其核心元件为滤光片阵列和透镜阵列。其中，透镜阵列实现场景复制的功能，一次可以获取多张具有相同空间信息的场景图片，采用滤光片阵列的分光方式原理简单，通过两者的结合，就可以实现单次曝光获得完整的三维数据立方体，原理简单，实时性强，在工业、生物医学、地球遥感等领域具有很好的应用价值。
滤光片阵列和微透镜阵列结合的多孔径透镜滤光阵列组件将大大降低多孔径光谱仪的研制难度。通过在多孔径阵列组件前增加望远镜、显微镜及相关前置光学系统，选择合适的面阵探测器，即可搭建满足实际应用需求的多孔径光谱成像系统。但是由于组件不同孔径透过不同波长的光线，因此存在明显的色散现象，即使在滤光片阵列将全波段划分为六个窄带波段的情况下，仍有明显的色散现象，极大地降低了成像的分辨率。
因此，为了确保成像清晰度，在抑制多孔径透镜阵列杂散光的基础上，窄带波段的色差校正是本领域技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明的第一个目的在于，提出一种提高光谱成像系统的成像清晰度、降低多孔径光谱成像系统研制难度的一种基于窄波段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件，其特征在于：包括滤光片阵列和透镜阵列，所述透镜阵列置于滤光片阵列后且置于像面前；
所述滤光片阵列由6个子滤光单元组成，各子滤光单元呈两列三排阵列分布，所述子滤光单元为带通滤光片；通过滤光片阵列滤光。
所述透镜阵列包含6个子透镜，所述子透镜选用双凸非球面透镜，且在双凸非球面透镜表面镀响应波长的增透膜，各子透镜之间通过发黑的铝板隔开以抑制杂散光，各子透镜与子滤光单元一一对应，不同位置的透镜透过不同波长的光线，
所述透镜阵列的子透镜为偶次非球面，其满足公式：
式中，z为矢高，r为透镜口径，R为曲率半径，k为圆锥系数，A4为4次非球面系数；A6为6次非球面系数；A8为8次非球面系数；A10为10次非球面系数；A12为12次非球面系数。
在采用上述技术方案的同时，本发明还可以采用或者组合采用如下技术方案：
作为本发明的优选技术方案：所述滤光片阵列选用材料锗，厚度为1.0mm，各子滤光单元为3.4mm×3.4mm的方形滤光片，各子滤光单元的通道透过波长分别为8.0μm-8.5μm、8.5μm-9.0μm、9.0μm-9.5μm、9.5μm-10.0μm、10.0μm-10.5μm、10.5μm-11.0μm。
作为本发明的优选技术方案：所述透镜阵列置于滤光片阵列后0.5mm距离处，像面前7.0mm处。
作为本发明的优选技术方案：所述子透镜材料为锗，厚度为2.11mm，子透镜为口径为3.4mm×3.4mm的方形透镜，各子透镜之间间隔为0.17mm，间隔处用发黑的铝板遮挡。
本发明的第三个目的在于，提供一种光学系统。
一种光学系统，包括所述基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件，所述基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件设有前置光学系统，后接长波红外探测器。
为此，本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
作为本发明的优选技术方案：所述前置光学系统包括物镜和准直镜，物镜为三片式的复消色差透镜，包括两片锗透镜和一片硒化锌透镜；准直镜为两片式双凸非球面透镜组，包括两片锗透镜。
作为本发明的优选技术方案：长波红外探测器面阵规模为640元×480元，像元尺寸为17μm×17μm。
本发明的有益效果在于：本发明的一种基于窄谱段色差校正的多孔径透镜阵列组件及其光学系统，提供了一种多孔径透镜滤光阵列组件，利用阵列组件中不同位置的子滤光单元与子透镜的单独设计，校正了各组件相应位置因透过不同波长造成的色差，通过单独设计将滤光片阵列和透镜阵列相结合，滤光片阵列中的子滤光片单元和透镜阵列中的子透镜一一对应，实现了多孔径透镜滤光阵列组件设计过程中窄波段色差校正的问题，提升了成像清晰度，降低了多孔径光谱成像系统的研制难度，增强了系统的实用性。本发明可用于同时获取多个窄带光谱的图像，实现视频光谱成像。
附图说明
图1为本发明的基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件示意图；
图2为本发明的滤光片阵列的结构示意图；
图3为本发明的透镜阵列的结构示意图；
图4为本发明的三片式的复消色差透镜组光路示意图；
图5为本发明的两片式双凸非球面透镜组光路示意图；
图6为本发明的消色差后的MTF曲线；
图7为本发明的优化后系统的垂轴色差和轴向色差图像；
附图中，滤光片阵列1；透镜阵列2；子透镜201；物镜3；准直镜4。
具体实施方式
参照附图和具体实施例对本发明作进一步详细地描述。
本发明的一种基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件，包括滤光片阵列1和透镜阵列2，所述透镜阵列2置于滤光片阵列1后且置于像面前。
所述滤光片阵列1由6个子滤光单元组成，各子滤光单元101呈两列三排阵列分布，所述子滤光单元101为带通滤光片；
所述透镜阵列2包含6个子透镜201，所述子透镜201选用双凸非球面透镜，且在双凸非球面透镜表面镀响应波长的增透膜，各子透镜之间通过发黑的铝板隔开以抑制杂散光，各子透镜与子滤光单元一一对应，不同位置的透镜透过不同波长的光线，
所述透镜阵列的子透镜为偶次非球面，其满足公式：
其中，z为矢高，r为透镜口径，R为曲率半径，k为圆锥系数，A4为4次非球面系数；A6为6次非球面系数；A8为8次非球面系数；A10为10次非球面系数；A12为12次非球面系数。
所述滤光片阵列选用材料锗，厚度为1.0mm，各子滤光单元为3.4mm×3.4mm的方形滤光片，各子滤光单元的通道透过波长分别为8.0μm-8.5μm、8.5μm-9.0μm、9.0μm-9.5μm、9.5μm-10.0μm、10.0μm-10.5μm、10.5μm-11.0μm。
所述透镜阵列置于滤光片阵列后0.5mm距离处，像面前7.0mm处。
所述子透镜材料为锗，厚度为2.11mm，子透镜为口径为3.4mm×3.4mm的方形透镜，各子透镜之间间隔为0.17mm，间隔处用发黑的铝板遮挡。
所述基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件的应用，应用于光学系统。
所述的光学系统，包括所述基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件，所述基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件设有前置光学系统，后接长波红外探测器。
所述前置光学系统包括物镜和准直镜，物镜为三片式的复消色差透镜，包括两片锗透镜和一片硒化锌透镜；准直镜为两片式双凸非球面透镜组，包括两片锗透镜。
长波红外探测器面阵规模为640元×480元，像元尺寸为17μm×17μm。
与现有技术相比，本发明提出了一种多孔径透镜滤光阵列组件，将滤光片阵列和透镜阵列相结合，突破现有技术难题：多孔径透镜滤光阵列组件设计过程中窄波段色差校正的问题，提升了成像清晰度，降低了多孔径光谱成像系统的研制难度，增强了系统的实用性。
实施例1
如图1-7所示，本发明的光学系统，使用了基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件，设计了一个长波红外多孔径透镜滤光阵列组件，前面接放大倍率为3的前置光学系统，后接长波红外探测器，长波红外探测器面阵规模为640元×480元，像元尺寸为17μm×17μm。具体光学参数如下表1所示。
表1
波长范围 等效F数 光谱分辨率 视场角
8-11μm 2 500nm 3°
根据上述参数要求，设计一种基于窄波段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件及其应用的光学系统。所述光学系统，包括基于窄波段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件前的前置光学系统包括物镜3和准直镜4，物镜3为三片式的复消色差透镜，包括两片锗透镜和一片硒化锌透镜；准直镜4为两片式双凸非球面透镜组，包括两片锗透镜。滤光片阵列1材料为锗，厚度为1.0mm，由6个由带通滤光片构成的子滤光单元组成，子滤光片为3.4mm×3.4mm的方形小滤光片，各通道的透过波长分别为8.0μm-8.5μm、8.5μm-9.0μm、9.0μm-9.5μm、9.5μm-10.0μm、10.0μm-10.5μm、10.5μm-11.0μm，具体如图2所示。透镜阵列2置于滤光片阵列1后0.5mm距离处，像面前7.0mm处。透镜阵列2材料为锗，厚度为2.11mm，包含2×3的双凸非球面透镜，子透镜为口径为3.4mm×3.4mm的方形透镜，各子透镜之间间隔为0.17mm，间隔处用发黑的铝板202遮挡。其中，透镜阵列2的子透镜为偶次非球面，满足公式：
式中，z为矢高，r为透镜口径，R为曲率半径，k为圆锥系数，A4、A6、A8、A10、A12分别为具体设计参数列于表2。
表2
R k A4 A6 A8 A10 A12
S1 460.398 0 -1.708E-003 -3.222E-004 6.729E-005 -4.569E-006 -3.092E-007
S2 -23.605 0 -1.809E-003 -1.319E-004 4.187E-005 -4.497E-006 1.946E-008
本实施例中：基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件的六通道共用前置光学系统和探测器面阵，归一化0视场、0.707视场和1视场，光谱范围8.0-11.0μm的点列图RMS直径小于14μm，小于17μm的像元尺寸。在奈奎斯特截止频率29.4pl/mm处，归一化0视场、0.707视场和1视场，光谱范围8.0-11.0μm的MTF最低值优于0.2。光学系统光谱弯曲低于0.12mm，畸变低于17％。光谱范围8.0-11.0μm的垂轴色差小于1μm，离焦100μm时轴向色差仍然很小，色差校正效果十分显著。透镜阵列2子透镜202均为双凸偶次非球面透镜，镜坯选用锗玻璃，采用离子束刻蚀的工艺加工，并镀8-12μm的增透膜，具有光学加工检测可行性。本发明光学系统应用了窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件，在全视场范围内具有较好的能量集中度，色散校正效果明显，满足使用要求。
上述具体实施方式用来解释说明本发明，仅为本发明的优选实施例，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改、等同替换、改进等，都落入本发明的保护范围。

Claims (7)

1.基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件，其特征在于：包括滤光片阵列和透镜阵列，所述透镜阵列置于滤光片阵列后且置于像面前；
所述滤光片阵列由6个子滤光单元组成，各子滤光单元呈两列三排阵列分布，所述子滤光单元为带通滤光片；
所述透镜阵列包含6个子透镜，所述子透镜选用双凸非球面透镜，且在双凸非球面透镜表面镀响应波长的增透膜，各子透镜之间通过发黑的铝板隔开以抑制杂散光，各子透镜与子滤光单元一一对应，不同位置的透镜透过不同波长的光线，
所述透镜阵列的子透镜为偶次非球面，其满足公式：
式中，z为矢高，r为透镜口径，R为曲率半径，k为圆锥系数，A4为4次非球面系数；A6为6次非球面系数；A8为8次非球面系数；A10为10次非球面系数；A12为12次非球面系数。
2.如权利要求1所述的基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件，其特征在于：所述滤光片阵列选用材料锗，厚度为1.0mm，各子滤光单元为3.4mm×3.4mm的方形滤光片，各子滤光单元的通道透过波长分别为8.0μm-8.5μm、8.5μm-9.0μm、9.0μm-9.5μm、9.5μm-10.0μm、10.0μm-10.5μm、10.5μm-11.0μm。
3.如权利要求2所述的基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件，其特征在于：所述透镜阵列置于滤光片阵列后0.5mm距离处，像面前7.0mm处。
4.如权利要求2所述的基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件，其特征在于：所述子透镜材料为锗，厚度为2.11mm，子透镜为口径为3.4mm×3.4mm的方形透镜，各子透镜之间间隔为0.17mm，间隔处用发黑的铝板遮挡。
5.选用权利要求1-4任一权利要求所述的基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件的光学系统，其特征在于：所述光学系统在所述基于窄谱段色差校正的多孔径透镜滤光阵列组件设有前置光学系统，后接长波红外探测器。
6.如权利要求5所述的光学系统，其特征在于：所述前置光学系统包括物镜和准直镜，物镜为三片式的复消色差透镜，包括两片锗透镜和一片硒化锌透镜；准直镜为两片式双凸非球面透镜组，包括两片锗透镜。
7.如权利要求5所述的光学系统，其特征在于：所述长波红外探测器的面阵规模为640×480元，像元尺寸为17μm×17μm。
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