CN217181328U - 一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统。光成像系统为离轴三反射式结构，工作波段为400nm～800nm。按光线入射方向依次包括呈近似同心结构的弯向光线入射方向的第一自由曲面反射镜，背向光线入射方向弯曲的二次曲面凸面衍射光栅和弯向光线入射方向的第二自由曲面反射镜，及滤波片和两个光电传感器。本实用新型提供的分光成像系统具有相对孔径大、光谱分辨率高、工作波段广、无色差、体积轻小等特点，具有广泛的应用前景。
Description
技术领域
本实用新型涉及成像光谱仪分光成像系统技术领域，具体涉及一种用于快照式成像光谱仪的反射式成像系统。
背景技术
传统光谱成像技术大多是采用狭缝进行视场分割，获得线视场的光谱像，通过对目标推扫成像进而获得全视场光谱像，这类系统存在着能量利用率低、扫描时间长，无法满足对动态目标分光成像的需求。
快照式光谱成像技术作为一种新形的光谱成像技术，无需推扫即可在一个探测器积分时间内获取目标物体的二维空间信息和一维光谱信息，切合了一些需要实时获取空间信息和光谱信息的应用需求。参见附图1，为快照式成像光谱仪结构原理示意图，按光线传输方向，光学系统的光学元件依次为孔径光阑1、前置物镜2、微透镜阵列3、准直镜片组4、分光元件5、聚焦镜片组6、光电传感器7，其中，前置物镜2为像方远心成像系统；微透镜阵列3位于前置物镜的像方焦平面处，由准直镜片组4、分光元件5、聚焦镜片组6和光电传感器7共同组成透射式分光成像系统。分光成像系统是快照式成像光谱仪的核心组成部分，其成像质量决定快照式成像光谱仪的光谱分辨率和成像性能。
现有技术中常见的用于快照式成像光谱仪的分光成像系统主要为透射式或折返式系统。这两类成像系统存在光能利用率低，色差大，工作波段窄的的不足。文献“基于Dyson结构的新型快照式分光成像系统光学设计”（DOI: 10.3788/aos202242.0422002）公布了一种用于快照式成像光谱仪的折返式分光成像系统，系统的工作波段为450nm～650nm，数值孔径NA为0.3；系统采用同心Dyson结构，较好的平衡了各类单色像差，实现了大数值孔径成像。但该系统存在透射光学元件引入色差的不足，导致其工作波段带宽仅为200nm。
因此，设计一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统，以解决目前快照式分光成像系统存在的工作波段窄的不足，对于快照式光谱成像技术的推广和应用具有实际意义。
发明内容
本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种工作波段广，成像质量好，体积轻小，结构紧凑的用于快照式成像光谱仪的分光成像系统。
本实用新型所采用的技术方案是提供一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统，所述分光成像系统为离轴三反射式结构；按光线入射方向依次包括弯向光线入射方向的第一自由曲面反射镜，背向光线入射方向弯曲的二次曲面凸面衍射光栅，弯向光线入射方向的第二自由曲面反射镜，滤波片，及两个分别用于聚焦经滤波片反射或透射的不同波长单色光线的光电传感器；所述的第一自由曲面反射镜、二次曲面凸面衍射光栅、第二自由曲面反射镜呈近似同心结构；系统光阑位于二次曲面凸面衍射光栅上；
所述第一自由曲面反射镜的反射面为XY多项式自由曲面，在以第一自由曲面反射镜的顶点为原点O，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向向内构建的笛卡尔坐标系中，第一自由曲面反射镜反射面的表达式Z1为：
式中，c是曲率，c=0.0259，k是二次曲面系数，k=0.005218，C2～C20分别是各单项式的系数，取值范围为：-4×10-3≤C2≤-3×10-3，-3×10-6≤C3≤-2×10-6，-3×10-5≤C4≤-2×10-5，-2×10-7≤C5≤-1×10-7，-2×10-6≤C6≤-1×10-6，-2×10-8≤C7≤-1×10-8，-9×10-8≤C8≤-8×10-8，4×10-8≤C9≤5×10-8，1×10-10≤C10≤2×10-10，2×10-9≤C11≤3×10-9，-4×10-9≤C12≤-3×10-9，-4×10-12≤C13≤-3×10-12，-3×10-11≤C14≤-2×10-11，-6×10-11≤C15≤-5×10-11，-10×10-11≤C16≤-9×10-11, -2×10-13≤C17≤-1×10-13，-6×10-13≤C18≤-5×10-13，-7×10-13≤C19≤-6×10-13, -2×10-12≤C20≤-1×10-12；
所述第二自由曲面反射镜的反射面为XY多项式自由曲面，在以第二自由曲面反射镜的顶点为原点O，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向向内构建的笛卡尔坐标系中，第二自由曲面反射镜反射面的表达式Z3为：
式中，x、y为镜面上任意一点的坐标，b是曲率，b=-0.0229，k1是二次曲面系数，k1=0.92，B2至B20分别是各单项式的系数，取值范围为： -7×10-3≤B2≤-6×10-3，-3×10-5≤B3≤-2×10-5，-3×10-5≤B4≤-2×10-5，-2×10-6≤B5≤-1×10-6，-4×10-6≤B6≤-3×10-6，1×10-7≤B7≤2×10-7，1×10-7≤B8≤2×10-7，-2×10-8≤B9≤-1×10-8，-3×10-9≤B10≤-2×10-9，-2×10-8≤B11≤-1×10-8，-2×10-8≤B12≤-1×10-8,2×10-11≤B13≤3×10-11，-2×10-10≤B14≤-1×10-10，-4×10-10≤B15≤-3×10-10，-3×10-10≤B16≤-2×10-10，-2×10-12≤B17≤-1×10-12,-8×10-12≤B18≤-7×10-12，-9×10-12≤B19≤-8×10-12，-4×10-12≤B20≤-3×10-12。
本实用新型所述的一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统，它的工作F数的取值范围为2.8≤F/#≤3.2；系统的总长L为30mm≤L≤40mm。
本实用新型提供的分光成像系统，它的物方视场为面视场，其中垂直色散方向视场M为M≥3mm，色散方向视场N为N≥0.5mm，放大倍率为-1×，工作波段为400nm～800nm，畸变小于0.2%。
为解决像面上存在光谱叠级的问题，本实用新型采用滤波片使波长为400nm～600nm的光线经其反射到达第一光电传感器，波长为600nm～800nm的光线经其透射到达第二光电传感器，从而使一级衍射级次的光谱像不会被其二级衍射级次的杂光所干扰。
本实用新型提供的分光成像系统通过离轴三反式分光成像结构杜绝引入色差，增大系统的工作波段范围；通过使用自由曲面的反射面镜，较好的平衡了单色像差，成像质量良好。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果是：
1.本实用新型提供的分光成像系统采用离轴三反式分光成像结构，杜绝引入色差，使其工作波段实现400nm～800nm的全可见光波段覆盖。
2.本实用新型提供的分光成像系统，采用离轴三反式分光成像结构，具有体积轻小，结构紧凑的特点。全系统总长小于40mm，拥有更广泛的应用前景。
3.本实用新型提供的分光成像系统，其两片反射面镜的面型均为自由曲面面型，其凸面衍射光栅的面型为二次曲面，因此，能更好的平衡各类单色像差，达到接近衍射极限的成像效果。
附图说明
图1是现有技术提供的快照式光谱成像系统整体结构原理图;
图中，1.孔径光阑；2.前置物镜；3.微透镜阵列；4.准直镜片组；5.分光元件；6.聚焦镜片组；7.光电传感器。
图2是本实用新型实施例提供的分光成像系统的结构示意图;
图中，41.第一自由曲面反射镜；42.二次曲面凸面衍射光栅；43.第二自由曲面反射镜；44.滤波片；45.第一光电传感器；46.第二光电传感器。
图3是本实用新型实施例提供的分光成像系统子午面内光路图;
图4是本实用新型实施例提供的分光成像系统的畸变曲线图;
图5是本实用新型实施例提供的分光成像系统的像面光线追迹点列图；
图6是本实用新型实施例提供的分光成像系统的传递函数曲线MTF曲线图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型的具体实施方案作进一步的阐述。
实施例1：
本实施例的技术方案是提供一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统。分光成像系统的放大率为-1，物方数值孔径NA=0.17，物方视场Φ=4mm×1mm，工作波长为400nm～800nm。
参见附图2，它是本实施例提供的分光成像系统结构示意图，分光成像系统为离轴三反式结构，按光线入射方向，它包括第一自由曲面反射镜41；二次曲面凸面衍射光栅42；第二自由曲面反射镜43；滤波片44；第一光电传感器45或第二光电传感器46；第一自由曲面反射镜41弯向光线入射方向，二次曲面凸面衍射光栅42背向光线入射方向，第二自由曲面反射镜43弯向光线入射方向；第一自由曲面反射镜41、二次曲面凸面衍射光栅42和第二自由曲面反射镜43呈近似同心结构。
分光成像系统成像时，入射的400nm～800nm的复色光线经第一自由曲面反射镜41反射后入射到二次曲面凸面衍射光栅42，经二次曲面凸面衍射光栅42分光后以不同的衍射角度反射；各单色光入射到第二自由曲面反射镜43，再经第二自由曲面反射镜43反射后入射到滤波片44，其中波长为400nm～600nm的各单色光线经滤波片44反射后聚焦于第一光电传感器45，同时，波长为600nm～800nm的各单色光线经滤波片44透射聚焦于第二光电传感器46，从而完成成像过程。
参见附图3，它是本实施例提供的分光成像系统的子午面内光路图。传统狭缝型推扫分光成像系统需要通过多次扫描以获得具有一定子午方向视场大小的光谱图像。本实施例通过一次成像便能获取具有一定子午方向视场大小的光谱图像。
本实施例提供的第一自由曲面反射镜的反射面为XY多项式自由曲面，在以第一自由曲面反射镜的顶点为原点O，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向向内构建的笛卡尔坐标系中，第一自由曲面反射镜反射面的表达式Z1为：
式中，x、y为镜面上任意一点的坐标，c是曲率，c=-0.0259，k是二次曲面系数，k=0.005218，C2=-3.4402×10-3，C3=-2.7912×10-6，C4=-2.2206×10-5，C5=-1.6547×10-7，C6=-1.5201×10-6，C7=-1.968×10-8，C8=-8.9585×10-8，C9=4.7222×10-8，C10=1.8425×10-10，C11=2.2678×10-9，C12=-3.862×10-9，C13=-3.6884×10-12，C14=-2.1684×10-11，C15=-5.3875×10-11，C16=-9.6885×10-11，C17=-1.1864×10-13，C18=-5.5924×10-13，C19=-6.3278×10-13，C20=-1.2693×10-12。
本实施例提供的二次曲面凸面衍射光栅刻线密度265线/毫米，其二次曲面面型Z2表达式为：
式中，r为二次曲面凸面衍射光栅的孔径半径，k0为二次曲面系数，c0为曲率；本实施例中，k0=0.357，c0=-0.0451。
本实施例提供的第二自由曲面反射镜的反射面为XY多项式自由曲面，在以第二自由曲面反射镜的顶点为原点O，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向向内构建的笛卡尔坐标系中，第二自由曲面的反射面面型Z3表达式为：
式中，x、y为镜面上任意一点的坐标，b是曲率，b=-0.0229，k1是二次曲面系数，k1=0.92，B2=-6.1104×10-3，B3=-2.4650×10-5，B4=-2.3869×10-5，B5=-1.2010×10-6，B6=-3.4554×10-6，B7=1.2155×10-7，B8=1.1666×10-7，B9=-1.2676×10-8，B10=-2.2883×10-9，B11=-1.1989×10-8，B12=-1.1952×10-8, B13=2.1054×10-11，B14=-1.1739×10-10，B15=-3.9382×10-10，B16=-2.7485×10-10，B17=-1.7299×10-12, B18=-7.1548×10-12，B19=-8.8294×10-12，B20=-3.7129×10-12。
本实施例提供的光学系统各元件的结构参数参见表1。
表1
参见附图4，它是本实施例提供的分光成像系统的畸变曲线图，图中横坐标为相对于像面的畸变值(单位%)，纵坐标表示归一化视场，由图4结果可知，分光成像系统的畸变像差已得到了充分的校正，相对畸变小于0.2％。
参见附图5，它是光线通过本实施例提供的分光成像系统的光线追迹点列图，图中不同波长对应的各个视场的点列图均方根半径小于2μm，点列图几何半径小于3μm，成像质量良好。
参见附图6，它是本实施例提供的分光成像系统在不同波长下各个视场对应像面上的传递函数MTF曲线。由图6可知，在100lp/mm下各视场的MTF值均大于0.5，接近衍射极限，曲线平滑，说明光学系统成像清晰、均匀，系统在全波段全视场具有很好的成像质量。
本实施例提供的分光成像系统，它的工作F数的取值范围为2.8≤F/#≤3.2；系统的总长L为30mm≤L≤40mm。它的物方视场为面视场，其中垂直色散方向视场M为M≥3mm，色散方向视场N为N≥0.5mm，放大倍率为-1×，工作波段为400nm～800nm，畸变小于0.2%。
Claims (3)
1.一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统，其特征在于：所述分光成像系统为离轴三反射式结构；按光线入射方向依次包括弯向光线入射方向的第一自由曲面反射镜（41），背向光线入射方向弯曲的二次曲面凸面衍射光栅（42），弯向光线入射方向的第二自由曲面反射镜（43），滤波片（44），及两个分别用于聚焦经滤波片反射或透射的不同波长单色光线的光电传感器（45、46）；所述的第一自由曲面反射镜、二次曲面凸面衍射光栅、第二自由曲面反射镜呈近似同心结构；系统光阑位于二次曲面凸面衍射光栅上；
所述第一自由曲面反射镜的反射面为XY多项式自由曲面，在以第一自由曲面反射镜的顶点为原点O，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向向内构建的笛卡尔坐标系中，第一自由曲面反射镜反射面的表达式Z1为：
式中，c是曲率，c=0.0259，k是二次曲面系数，k=0.005218，C2～C20分别是各单项式的系数，取值范围为：-4×10-3≤C2≤-3×10-3，-3×10-6≤C3≤-2×10-6，-3×10-5≤C4≤-2×10-5，-2×10-7≤C5≤-1×10-7，-2×10-6≤C6≤-1×10-6，-2×10-8≤C7≤-1×10-8，-9×10-8≤C8≤-8×10-8，4×10-8≤C9≤5×10-8，1×10-10≤C10≤2×10-10，2×10-9≤C11≤3×10-9，-4×10-9≤C12≤-3×10-9，-4×10-12≤C13≤-3×10-12，-3×10-11≤C14≤-2×10-11，-6×10-11≤C15≤-5×10-11，-10×10-11≤C16≤-9×10-11, -2×10-13≤C17≤-1×10-13，-6×10-13≤C18≤-5×10-13，-7×10-13≤C19≤-6×10-13, -2×10-12≤C20≤-1×10-12；
所述第二自由曲面反射镜的反射面为XY多项式自由曲面，在以第二自由曲面反射镜的顶点为原点O，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向向内构建的笛卡尔坐标系中，第二自由曲面反射镜反射面的表达式Z3为：
式中，x、y为镜面上任意一点的坐标，b是曲率，b=-0.0229，k1是二次曲面系数，k1=0.92，B2至B20分别是各单项式的系数，取值范围为： -7×10-3≤B2≤-6×10-3，-3×10-5≤B3≤-2×10-5，-3×10-5≤B4≤-2×10-5，-2×10-6≤B5≤-1×10-6，-4×10-6≤B6≤-3×10-6，1×10-7≤B7≤2×10-7，1×10-7≤B8≤2×10-7，-2×10-8≤B9≤-1×10-8，-3×10-9≤B10≤-2×10-9，-2×10-8≤B11≤-1×10-8，-2×10-8≤B12≤-1×10-8,2×10-11≤B13≤3×10-11，-2×10-10≤B14≤-1×10-10，-4×10-10≤B15≤-3×10-10，-3×10-10≤B16≤-2×10-10，-2×10-12≤B17≤-1×10-12,-8×10-12≤B18≤-7×10-12，-9×10-12≤B19≤-8×10-12，-4×10-12≤B20≤-3×10-12。
2.根据权利要求1所述的一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统，其特征在于：它的工作F数的取值范围为2.8≤F/#≤3.2。
3.根据权利要求1所述的一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统，其特征在于：系统的总长L为30mm≤L≤40mm。
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