CN217179764U - 一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统 - Google Patents
一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN217179764U CN217179764U CN202220675845.0U CN202220675845U CN217179764U CN 217179764 U CN217179764 U CN 217179764U CN 202220675845 U CN202220675845 U CN 202220675845U CN 217179764 U CN217179764 U CN 217179764U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- free
- meniscus lens
- aberration
- imaging system
- imaging
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 title claims abstract description 40
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 title claims description 26
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 claims abstract description 24
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims 1
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 abstract description 19
- 230000004075 alteration Effects 0.000 abstract description 13
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 10
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 abstract description 6
- 238000010408 sweeping Methods 0.000 abstract description 4
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 abstract description 3
- 230000008030 elimination Effects 0.000 abstract description 2
- 238000003379 elimination reaction Methods 0.000 abstract description 2
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 4
- 102100025490 Slit homolog 1 protein Human genes 0.000 description 3
- 101710123186 Slit homolog 1 protein Proteins 0.000 description 3
- 230000000007 visual effect Effects 0.000 description 3
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 2
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 2
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
Images
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
本实用新型涉及一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统。分光成像系统采用同心结构的Wynne‑Offner型分光装置，包括入射狭缝，弯月透镜、自由曲面反射镜、消像差全息凸面光栅和成像传感器；弯月透镜弯向光线入射方向，内、外表面为球面；入射狭缝和成像传感器位于弯月透镜的内表面一侧，自由曲面反射镜位于弯月透镜的外表面一侧；消像差全息凸面光栅贴合于弯月透镜外表面的中心处。本实用新型提供的分光成像系统，反射镜为5次XY多项式自由曲面，光栅采用了消像差全息凸面光栅，较好的控制了全波段全视场像差，具有宽视场、高光谱分辨率，且结构紧凑、易于装调的特点，适用于机载遥感的推扫型成像光谱仪。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种分光成像系统，特别涉及一种具有宽视场高分辨率性能，适用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统。
背景技术
利用高光谱光学成像技术对目标进行遥感观测和分析，可以获取仅凭人眼视觉而无法直接获取的信息，例如人眼难以分辨的目标物的波长细节信息，尤其能够探测到在宽波段遥感技术中无法探测到的物质。为获取更广空间范围及更多空间细节的目标图像信息并进行更精确分析鉴别，人们对推扫型高光谱成像光学系统的视场和分辨率提出了更高的要求。
然而，宽视场、高分辨率推扫型成像光谱系统在光学设计上存在着有待解决的问题，一是几何像差尤其是像散随系统入射狭缝的增大而急剧增加，使得分光成像系统的入射狭缝较短；二是由于高光谱成像系统的光谱分辨率由分光成像系统决定，但是光栅分光导致系统光路不对称，系统对几何像差尤其是像散难以进行较好的校正，造成相邻光谱通道之间的串扰，降低了系统的光谱分辨率。因此，在传统的高光谱成像系统中，视场较小，光谱分辨率也较低。
同心结构的Offner光谱仪因其高性能和紧凑结构，已被广泛应用于成像光谱系统。现有文献报道的推扫型成像光谱仪中，高光谱分辨率、长狭缝和结构紧凑通常无法同时满足。参见文献 “Offner成像光谱仪的设计方法”（ [J] .光学学报, 2010 (4): 1148-1152），报道了传统凸面光栅Offner装置，狭缝长度不足20mm，光学长度大于200mm，光谱分辨率为3nm； 文献“Compact Offner–Wynne imaging spectrometers”（ Prieto-Blanco X, de la FuenteR . [J] . Optics Communications , 2014 , 328: 143-150 .）中描述了Offner-Wynne型分光装置的理论，但采用全球面元件并未实现宽视场和高光谱分辨率。
发明内容
本实用新型针对现有技术存在的不足，提供了一种结构紧凑，易于装调，可同时实现宽视场、高光谱分辨率的用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统。
为实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案为提供一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统，它包括入射狭缝，呈同心结构的弯月透镜、自由曲面反射镜和消像差全息凸面光栅，及成像传感器；所述弯月透镜弯向光线入射方向，内、外表面为球面；入射狭缝和成像传感器位于弯月透镜的内表面一侧，自由曲面反射镜位于弯月透镜的外表面一侧；消像差全息凸面光栅贴合于弯月透镜外表面的中心处；
所述自由曲面反射镜的面型为XY多项式自由曲面，所在坐标系为以自由曲面反射镜的顶点为原点O构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向为垂直纸面向里，所述坐标系中XY多项式自由曲面z(x,y)的方程式为：
其中，
是自由曲面反射镜的半径；c是曲率，c=-1.17×10-2；k是二次曲面系数，-1≤k≤1； A1～A20分别是各单项式的系数，其中，-1≤A2≤1，-20≤A3≤20，-20≤A5≤20，-1≤A7≤1，-1≤A9≤1，-2≤A10≤2，-3≤A12≤3，-2≤A14≤2，-1≤A16≤1，-1≤A18≤1，-1≤A20≤1，其余为0。
本实用新型所述的一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统，其入射狭缝的长度S的取值范围为5mm≤S≤70mm；系统的F数的取值范围为1.5≤F≤5；系统的总长L的取值范围为50mm≤L≤200mm。
本实用新型的原理是：将自由曲面应用到同心结构的Wynne-Offner分光成像系统中，利用自由曲面的非旋转对称性以及灵活控制光线方向的优势，校正光栅分光导致系统光路不对称产生的像差，同时采用了消像差全息凸面光栅，进一步校正了系统像差尤其是像散，以同时实现成像光谱系统的宽视场、高光谱分辨率和紧凑的结构。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
1.本实用新型的分光系统使用了自由曲面面型的反射镜，可改善各种球面系统无法平衡的像差，其较高的自由度进一步校正几何像差尤其是像散，提高了系统的光谱分辨率，在宽视场、宽波段、高数值孔径下达到了1nm的光谱分辨率。
2．本实用新型采用同心结构的Wynne-Offner型分光系统具有紧凑的结构和极高的成像性能，高光谱成像仪的光谱分辨率由分光成像系统决定，与现有的其它结构的分光系统相比，在相同的波段、数值孔径和狭缝长度条件下，本实用新型的结构能实现更高的光谱分辨率。
3.本实用新型采用的消像差凸面全息光栅，不仅具有色散作用，还可以利用自身的全息像差补偿由于使用结构引入的几何像差，进一步提高了系统的光谱分辨率。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统的结构示意图;
图2是本实用新型一个实施例提供的分光成像系统的全视场全波段传递函数曲线MTF曲线图；
图3是本实用新型一个实施例提供的分光成像系统全视场全工作波段的点列图；
图4是本实用新型一个实施例提供的分光成像系统全视场全工作波段的RMS光斑半径曲线图；
图中，1.入射狭缝；2.弯月透镜；3.自由曲面反射镜；4.消像差凸面全息光栅；5.成像传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型技术方案作进一步的阐述。
实施例1
本实施例提供一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统。
参见附图1，它是本实施例提供的折反射式分光成像系统的结构示意图，它的光学系统的元件主要包含入射狭缝1、弯月透镜2、自由曲面反射镜3、消像差凸面全息光栅4和成像传感器5；其结构为：弯月透镜2的内、外表面均为球面，弯向光线入射方向；入射狭缝1和成像传感器5位于弯月透镜的内表面一侧，自由曲面反射镜3位于弯月透镜的外表面一侧；消像差全息凸面光栅4贴合于弯月透镜2外表面的中心处；弯月透镜2的内、外表面与消像差全息凸面光栅4为同心结构，它们的球心重合于光轴。远心光线从入射狭缝1入射，经弯月透镜2折射，自由曲面反射镜3反射后，以会聚光束的形式入射到消像差凸面全息光栅4上；会聚光束经过消像差凸面全息光栅上衍射后实现光谱分光；分光后得到的发散光束再依次通过自由曲面反射镜3反射，弯月透镜2折射后，会聚于成像传感器5，实现高光谱成像。
本实施例提供的分光成像系统，自由曲面反射镜为5次XY多项式自由曲面，所在坐标系为以自由曲面反射镜的顶点为原点O构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向为垂直纸面向里，坐标系中XY多项式自由曲面z(x,y)的方程式为：
其中，
是自由曲面反射镜的半径。
曲率c、二次曲面系数k以及各项系数A i的值分别为：
c=-1.17×10-2；k=0.387；系数A i中， A2 =-5.1×10-2，A3=10.814，A5=10.707，A7=2.8×10-2，A9=8.4×10-2，A10=1.482，A12=2.767，A14=1.550，A16=8.26×10-3，A18=0.145，A20=2.3×10-2，其余系数（i=1,4,6,8,11,13,15,17,19）均为0。
本实施例提供的分光成像系统的性能参数满足表1的条件。
表1：
| 光谱范围 | 400nm～1000nm |
| 物方数值孔径 | 0.167 |
| 工作F数 | 3 |
| 像平面色散宽度 | 6mm |
| 狭缝长度 | 40mm |
| 光栅等效刻线密度 | 200lp/mm |
| 光谱分辨率 | 1nm |
| 成像传感器 | 4.5µm×4.5µm |
本实施例各光学元件（面）满足表2的条件。
表2：
参见附图2，它是本实施例提供的分光成像系统的全波段传递函数MTF曲线图；图中，（a）图，（b）图，（c）图，（d）图是在波长分别为400nm、600nm、800nm、1000nm对应像面上的所有视场传递函数MTF曲线。由图2可知，在100lp/mm下400nm到1000nm工作波段全视场的光学传递函数均大于0.4，曲线平滑紧凑，说明系统成像清晰、均匀，系统在全波段以及全视场具有较好的成像质量及分辨率。
参见附图3，它是本实施例提供的分光成像系统在全视场全工作波段的点列图。由图3可知，在全视场全工作波段中，子午和弧矢方向光斑均匀，系统的像差尤其是像散得到了较好的校正，能量集中，满足使用要求。
参见附图4，它是本实施例提供的分光成像系统RMS光斑半径随波长变化的曲线图。曲线（a）是系统不同视场的RMS半径，直线（b）是衍射极限下的RMS半径。由图4可知，在全视场全工作波段中，系统的RMS均方根光斑半径小于3μm，能量集中，提供了极高的分辨率。
结果证明，本发明提供的分光系统，在110mm的长度下，其工作F数可达3，视场即狭缝长度可达40mm，工作波段400nm到1000nm，光谱分辨率优于1nm。在紧凑的结构下，全工作波段、全视场的光学传递函数均大于0.4，成像质量较好，满足机载光谱成像系统宽视场、高光谱分辨率和小型化要求。
Claims (4)
1.一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统，其特征在于：它包括入射狭缝（1），呈同心结构的弯月透镜（2）、自由曲面反射镜（3）和消像差全息凸面光栅（4），及成像传感器（5）；所述弯月透镜（2）弯向光线入射方向，内、外表面为球面；入射狭缝（1）和成像传感器（5）位于弯月透镜的内表面一侧，自由曲面反射镜（3）位于弯月透镜的外表面一侧；消像差全息凸面光栅（4）贴合于弯月透镜（2）外表面的中心处；
所述自由曲面反射镜的面型为XY多项式自由曲面，所在坐标系为以自由曲面反射镜的顶点为原点O构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向为垂直纸面向里，所述坐标系中XY多项式自由曲面z(x,y)的方程式为：
其中，
是自由曲面反射镜的半径；c是曲率，c=-1.17×10-2；k是二次曲面系数，-1≤k≤1；A1～A20分别是各单项式的系数，其中，-1≤A2≤1，-20≤A3≤20，-20≤A5≤20，-1≤A7≤1，-1≤A9≤1，-2≤A10≤2，-3≤A12≤3，-2≤A14≤2，-1≤A16≤1，-1≤A18≤1，-1≤A20≤1，其余为0。
2.根据权利要求1所述的一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统，其特征在于：入射狭缝的长度S的取值范围为5mm≤S≤70mm。
3.根据权利要求1所述的一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统，其特征在于：所述系统的F数的取值范围为1.5≤F≤5。
4.根据权利要求1所述的一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统，其特征在于：所述系统的总长L的取值范围为50mm≤L≤200mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202220675845.0U CN217179764U (zh) | 2022-03-28 | 2022-03-28 | 一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202220675845.0U CN217179764U (zh) | 2022-03-28 | 2022-03-28 | 一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN217179764U true CN217179764U (zh) | 2022-08-12 |
Family
ID=82746105
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202220675845.0U Active CN217179764U (zh) | 2022-03-28 | 2022-03-28 | 一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN217179764U (zh) |
-
2022
- 2022-03-28 CN CN202220675845.0U patent/CN217179764U/zh active Active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9689744B2 (en) | Visible-infrared plane grating imaging spectrometer | |
| CN109781261B (zh) | 紧凑型折反式无热化成像光谱仪 | |
| EP3812822B1 (en) | Optical system, imaging device comprising same, and imaging system | |
| CN112229516A (zh) | 一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统及其成像方法 | |
| US11674908B2 (en) | Optical system, and imaging apparatus and imaging system including the same | |
| JP2019215518A (ja) | 光学系、それを備える撮像装置及び撮像システム | |
| CN217179764U (zh) | 一种用于推扫型成像光谱仪的折反射式分光成像系统 | |
| CN110702225A (zh) | 一种紧凑型宽波段光谱成像光学系统 | |
| CN114719976A (zh) | 一种推扫式成像光谱仪及其成像方法 | |
| CN216526504U (zh) | 一种基于自由曲面棱镜的大视场分光成像系统 | |
| US11385102B2 (en) | Optical system, and imaging apparatus and imaging system including the same | |
| JP7214376B2 (ja) | 光学系、それを備える撮像装置及び撮像システム | |
| WO2019235373A1 (ja) | 光学系、それを備える撮像装置及び撮像システム | |
| CN220104288U (zh) | 一种可变光谱分辨率的分光成像系统 | |
| JP2019215519A (ja) | 光学系、それを備える撮像装置及び撮像システム | |
| CN217181328U (zh) | 一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统 | |
| CN217738457U (zh) | 一种大孔径紧凑型快照式分光成像系统 | |
| CN111678598B (zh) | 一种Dyson曲面棱镜光谱成像系统 | |
| CN218955917U (zh) | 一种快照式wynne-offner型分光成像系统 | |
| CN219996351U (zh) | 一种用于快照式光谱成像仪的棱镜型分光成像系统 | |
| CN213274578U (zh) | 一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统 | |
| CN112945383A (zh) | 一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学系统 | |
| CN217483671U (zh) | 一种基于自由曲面的分光成像系统 | |
| CN218180118U (zh) | 一种浸没式littrow-Offner分光成像系统 | |
| CN217586050U (zh) | 一种基于自由曲面棱镜的双波段成像光谱仪 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |