CN217738457U - 一种大孔径紧凑型快照式分光成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种大孔径紧凑型快照式分光成像系统。它包括三片球面折射透镜和一片凹面光栅，为共轴共光路近似同心结构；按光线入射方向，依次为前表面为平面的平凸透镜，弯向光线入射方向的第一片弯月透镜，背向光线入射方向弯曲的第二片弯月透镜，弯向光线入射方向的凹面光栅；系统的孔径光阑设置在凹面光栅上。本实用新型提供的分光成像系统，两片弯月透镜为背靠背设置，像差校正能力强，谱线弯曲和色畸变较小，光能利用率高，可实现大孔径、高光谱分辨率分光成像；系统采用共光路结构，光线两次经过三片球面折射透镜，体积紧凑，易于加工装调，具有广阔的应用前景。

Description

一种大孔径紧凑型快照式分光成像系统

技术领域

本实用新型涉及成像光谱仪的分光成像系统，具体涉及一种快照式分光成像系统。

背景技术

光谱成像系统可同时获得被测目标的二维空间信息和一维光谱信息，实现对目标物体精准鉴别与分析。快照式光谱成像技术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光谱信息，实现动态目标的实时高光谱成像，是一种新颖的光谱成像技术。

分光元件或分光成像系统作为快照式成像光谱仪的核心部分，决定了系统的光谱分辨率和成像性能。常见的分光元件有滤光片、棱镜、光栅等，基于滤光片分光的快照式成像光谱仪，光谱分辨率较低，而棱镜分光能力较差，且非线性色散严重影响光谱分辨率。现有文献所报道的快照式分光成像系统，其数值孔径和成像视场通常偏小，如中国发明专利CN102944305A公开了一种快照式高通量的光谱成像光谱仪，该系统包括线性渐变滤光片阵列、主镜、微透镜阵列和探测器，系统采用线性渐变滤光片阵列实现分光，获得几十个光谱通道，光谱分辨率较低。文献“Microlens array snapshot hyperspectral microscopysystem for the biomedical domain,”（Applied Optics, 60(7), 2021)，报道了一种基于光栅-棱镜组合分光元件的透射式分光成像系统，为了实现宽波段、宽视场成像，分光成像光学系统，通过对双高斯结构进行复杂化设计，得到由6片透镜构成的准直透镜组和6片透镜构成的聚焦透镜组，由于系统采用平面光栅作为主要分光元件，严重影响系统光谱分辨率与空间分辨；系统的准直物镜与聚焦物镜采用较为复杂的双高斯结构作为初始结构，设计难度大且难以实现更大的数值孔径；系统共使用了12片透镜、一片棱镜和一片光栅，镜片数较多、结构较为复杂，加工及装调难度大。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种数值孔径大、光谱分辨率高、成像质量好、结构简单紧凑、易于加工装调的大孔径紧凑型快照式分光成像系统。

本实用新型所采用的技术方案是:提供一种大孔径紧凑型快照式分光成像系统，它包括三片球面折射透镜和一片凹面光栅，形成共轴共光路近似同心结构；按光线入射方向，依次为前表面为平面的平凸透镜，弯向光线入射方向的第一片弯月透镜，背向光线入射方向弯曲的第二片弯月透镜，弯向光线入射方向的凹面光栅；系统的孔径光阑设置在凹面光栅上；

所述平凸透镜的后表面、第一片弯月透镜的前表面和后表面、第二片弯月透镜的前表面和后表面，它们的曲率半径依次对应为R₂₂、R₃₁和R₃₂、R₄₁和R₄₂，满足条件35mm≤R₂₂≤40mm、30mm≤R₃₁≤35 mm和35mm≤R₃₂≤45mm、220mm≤R₄₁≤240mm和150mm≤R₄₂≤170mm；

所述凹面光栅的光栅刻线密度g，40 lp/mm≤g≤60 lp/mm；光栅曲率半径R₅，150mm≤R₅≤170 mm。

本实用新型所述的一种大孔径紧凑型快照式分光成像系统，它的物方数值孔径NA，0.3≤NA≤0.35；它的筒长L，140 mm≤L≤160 mm。

本实用新型提供的快照式分光成像系统，采用共轴同心设计，并将两片弯月透镜设计为背靠背结构形式，增大了系统的数值孔径，有效提升了系统的集光能力和系统分辨率；同时，采用了共光路结构，系统更加简单紧凑，扩大了分光成像系统的使用范围。

与现有技术相比，本实用新型提供的快照式分光成像系统的有益效果是：

1.本实用新型提供的分光成像系统仅由三片折射球面透镜和一片凹面光栅构成，采用共轴同心共光路结构，具有结构紧凑、体积更小、易于加工装调、稳定性强的特点，有利于快照式成像光谱仪的小型化和便携化。

2.本实用新型提供的分光成像系统，三片折射透镜的表面面型均为球面，且均采用国产玻璃材料，降低了镜头的加工难度和加工成本，具有实际应用价值。

3.本实用新型提供的分光成像系统将两片弯月透镜设计成背靠背形式，像差校正能力强，谱线弯曲和色畸变较小，成像质量好，可实现大孔径分光成像。

附图说明

图1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，1.物面；2.平凸透镜；22.平凸透镜的后表面；3.第一片弯月透镜；31.第一片弯月透镜的前表面；32.第一片弯月透镜的的后表面；4.第二片弯月透镜；41.第二片弯月透镜的前表面；42.第二片弯月透镜的后表面；5.凹面光栅；6.像面；

图2是本实用新型实施例所述的分光成像系统的光线追迹点列图；

图3是本实用新型实施例所述的分光成像系统的传递函数MTF曲线图；

图4是本实用新型实施例所述的分光成像系统的圈入能量集中度曲线图。

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：本实施例提供一种大孔径紧凑型快照式分光成像系统，系统的光学镜头由3片折射球面透镜和一片凹面光栅组成,物方数值孔径NA=0.33，物方视场φ=14mm×4mm，工作波长为400nm～700 nm。

参见附图1，它是本实施例提供的分光成像系统的结构示意图，其中，物面1与像面6处于同一侧，按光线入射方向，光学元件依次为平凸透镜2、第一片弯月透镜3、第二片弯月透镜4和凹面光栅5；其中，平凸透镜2的前表面为平面，第一片弯月透镜3弯向光线入射方向，第二片弯月透镜4背向光线入射方向弯曲，凹面光栅5弯向光线入射方向。平凸透镜的后表面22、第一片弯月透镜的前表面31和后表面32、第二片弯月透镜的前表面41和后表面42，它们的曲率半径依次对应为R₂₂、R₃₁和R₃₂、R₄₁和R₄₂，光栅曲率半径为R₅。

本实施例中各光学元件的参数如表1所示。

表1：

本实施例中，凹面光栅的刻线密度为42线/毫米。

本实施例提供的分光成像系统，筒长L=160mm。

本实施例提供的分光成像系统在分光成像时，物面处的出射复色光线入射至平凸透镜，将大孔径的光线进行会聚后依次入射到第一片弯月透镜和第二片弯月透镜，进一步对光线进行会聚，将发散角减小后的复色发散光线传播至凹面光栅；复色发散光线经凹面光栅分光后得到不同波长的单色会聚光线，并反射出射；不同波长的单色会聚光线再依次入射至第二片弯月透镜、第一片弯月透镜和平凸透镜，光线经聚焦后成像于像面，从而完成成像过程。

参见附图2，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400nm、550nm和700nm三个波长对应的各个视场的点列图均方根半径小于1μm，点列图几何半径小于3μm，成像质量好。

参见附图3，它是本实施例提供的分光成像系统各个视场对应像面上的传递函数MTF曲线。由图3可知，在166 lp/mm下400nm、550nm和700nm波长的各视场的MTF值均大于0.55，接近衍射极限，曲线较为平滑，说明镜头成像清晰、均匀，系统在全波段全视场具有很好的成像质量。

参见附图4，它是本实施例提供的分光成像系统700nm波长的圈入能量集中度曲线，由图4可见，80%以上的能量集中在Airy斑范围内点，能量较为集中。

本实用新型技术方案提供的快照式分光成像系统，仅由三片透镜和一片凹面光栅组成，通过对三片透镜的玻璃材料合理选择，并进行复杂化设计，提升镜头成像的数值孔径，以增加系统的集光能力和系统分辨率，可获得光照度分布均匀、能量集中、分辨率高的光学像。

本实用新型技术方案所提供的分光成像系统，经过严格的像差校正，具有大数值孔径、成像质量好、光谱分辨率高、光能利用率高的特点，且结构简单紧凑、易于加工装调，稳定性强等优点，可用于光谱成像领域，应用前景广阔。

Claims (3)

1.一种大孔径紧凑型快照式分光成像系统，其特征在于：它包括三片球面折射透镜和一片凹面光栅，形成共轴共光路近似同心结构；按光线入射方向，依次为前表面为平面的平凸透镜（2），弯向光线入射方向的第一片弯月透镜（3），背向光线入射方向弯曲的第二片弯月透镜（4），弯向光线入射方向的凹面光栅（5）；系统的孔径光阑设置在凹面光栅上；

所述平凸透镜的后表面（22）、第一片弯月透镜的前表面（31）和后表面（32）、第二片弯月透镜的前表面（41）和后表面（42），它们的曲率半径依次对应为R₂₂、R₃₁和R₃₂、R₄₁和R₄₂，满足条件35mm≤R₂₂≤40mm、30mm≤R₃₁≤35 mm和35mm≤R₃₂≤45mm、220mm≤R₄₁≤240mm和150mm≤R₄₂≤170mm；

所述凹面光栅的光栅刻线密度g，40 lp/mm≤g≤60 lp/mm；光栅曲率半径R₅，150 mm≤R₅≤170 mm。

2.根据权利要求1所述的一种大孔径紧凑型快照式分光成像系统，其特征在于：它的物方数值孔径NA，0.3≤NA≤0.35。

3.根据权利要求1所述的一种大孔径紧凑型快照式分光成像系统，其特征在于：它的筒长L，140 mm≤L≤160 mm。

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