CN218955917U - 一种快照式wynne-offner型分光成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种快照式wynne‑offner型分光成像系统。它的光学元件为共轴、共光路、近似同心结构，按光线入射方向，依次为：弯向光线入射方向的弯月透镜，弯向光线入射方向的凹球面反射镜，与弯月透镜后表面相胶合的凸球面反射光栅；系统的孔径光阑设置在凹球面反射镜上。本实用新型提供的光成像系统，由于其光学系统为同轴形式的离轴三反镜结构，光线两次经过弯月透镜和凹球面反射镜，能有效提升系统像差校正能力，具有大数值孔径、大视场、高光谱分辨率、结构简单紧凑、易于装调等特点。

Description

一种快照式wynne-offner型分光成像系统

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

快照式高光谱成像仪可同时获取观测目标的二维图像信息与一维光谱信息，实现非扫描式的高光谱成像数据获取，目前已广泛应用于天文与遥感领域。成像光谱仪中，通常采用的分光元件为棱镜或平面光栅，棱镜分光具有光学效率高的优点，但棱镜的色散是非线性的，且会引入额外像差及谱线弯曲；平面光栅的色散是线性色散，但衍射效率较低且存在光谱畸变。与棱镜和平面光栅分光方式相比，offner分光系统的分光元件为凸球面反射光栅，具有结构简单紧凑、相对孔径大、光谱分辨率高、像差校正能力强等优点，但由于凸球面反射光栅的引入，会使系统产生像散和彗差。现有技术中，文献“Microlens arraysnapshot hyperspectral microscopy system for the biomedical domain,” （AppliedOptics, 60(7) 2021)报道了一种基于光栅-棱镜分光的透射式结构，其中，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；准直物镜与聚焦物镜采用双高斯结构，使用光学元件较多，设计复杂且难以实现大数值孔径。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种大数值孔径、大视场、高光谱分辨率、成像质量好、结构简单紧凑、易于装调的快照式wynne-offner型分光成像系统。

本实用新型所采用的技术方案是提供一种快照式wynne-offner型分光成像系统，其光学元件为共轴、共光路、近似同心结构，按光线入射方向，依次为：弯向光线入射方向的弯月透镜，弯向光线入射方向的凹球面反射镜，与弯月透镜后表面相胶合的凸球面反射光栅；系统的孔径光阑设置在凹球面反射镜上；

弯月透镜的后表面与凸球面反射光栅相胶合；弯月透镜后表面、凹球面反射镜的前后表面为球面，它们的曲率半径依次为R₂₂、R₃，以mm为长度单位，满足条件：-62≤R₂₂≤-58，-130≤R₃≤-127；

弯月透镜的前表面为偶次非球面，偶次非球面方程式为：

其中，r是曲率半径；c是曲率，k是二次曲面系数，k=4.4×10^-3；a₂和a₃分别是各单项式的系数，取值范围为-1.45×10^-8≤a₂≤-1.35×10^-8，4.4×10^-12≤a₃≤4.8×10^-12。

本实用新型提供的一种快照式wynne-offner型分光成像系统，其物方数值孔径NA的取值范围为0.20≤NA≤0.23，筒长L的取值范围为120mm≤L≤140mm。

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型提供的wynne-offner型分光成像系统，具有同心共光路结构特点，引入弯月透镜，可补偿球差和像散，进一步提升系统的像差补偿能力，可实现宽工作波段、大数值孔径快照式分光成像。

2.本实用新型通过结合弯月透镜和凸球面反射光栅光学元件，结构简单紧凑、易于装调，同时严格校正光谱畸变，谱线弯曲控制在0.8μm内，色畸变控制在1.5μm内，利于光谱标定和后期图像处理。

3.本实用新型结合wynne-offner型分光成像系统与快照式成像光谱仪特点，系统数值孔径大、视场大、光谱分辨率高，系统光学元件少，筒长短于140mm，结构紧凑，具有实际应用价值。

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.弯月透镜；3.凹球面反射镜；4.凸球面反射光栅；5.像面；

图2是本实用新型实施例提供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提供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提供的分光成像系统的圈入能量集中度曲线图。

具体实施方案

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：

本实施例提供一种快照式wynne-offner型分光成像系统。光学镜头由一片弯月透镜、凹球面反射镜、凸球面反射光栅组成，物方数值孔径NA=0.22，物方视场为14×3mm，工作波段为450～650nm。

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；物面1与像面5位于空间中同一侧，按光线入射方向，光学元件依次为弯月透镜2、凹球面反射镜3、凸球面反射光栅4；凸球面反射光栅4与弯月透镜2的后表面相胶合，弯月透镜2弯向光线入射方向，凹球面反射镜3弯向光线入射方向；系统的孔径光阑设置在凹球面反射镜3上；弯月透镜后表面、凹球面反射镜的前后表面为球面，它们的曲率半径依次为R₂₂、R₃，以mm为长度单位，满足条件：-62≤R₂₂≤-58、-130≤R₃≤-127；弯月透镜2的前表面面型z为偶次非球面，方程式为：

其中，r是曲率半径；c是曲率，k是二次曲面系数，k=4.4×10^-3；a₂和a₃分别是各单项式的系数，取值范围为-1.45×10^-8≤a₂≤-1.35×10^-8，4.4×10^-12≤a₃≤4.8×10^-12。

本实施例中，偶次非球面单项式系数a₂=-1.4×10^-8，a₃=4.6×10^-12；凸球面反射光栅的结构参数为：刻线密度150lines/mm，衍射级次-1阶。

本实施例中，各光学元件的参数如表1所示。

表1：

。

本实施例提供的分光成像系统在分光成像时，物面1处出射的大孔径复色光线入射至弯月透镜2，经初步会聚后将光线入射至凹球面反射镜3进一步会聚，并经其反射至凸球面反射光栅4，凸球面反射光栅将复色会聚光分成不同波长的单色发散光线，再由凸球面反射光栅3射向凹球面反射镜4，再由凹球面反射镜4反射，光线经弯月透镜2聚焦后成像于像面5，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450nm、550nm和650nm三个波长对应的各个视场的点列图均方根半径小于1.10μm，点列图几何半径小于3.50μm，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83lp/mm下，450nm（a图）、550nm（b图）和650nm（c图）波长的各视场的MTF值均大于0.8，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650nm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，由弯月透镜、凹球面反射镜和凸球面反射光栅组成，其中，弯月透镜与凸球面反射光栅相胶合，实现系统分光的同时，严格对系统像差进行校正，有效改善光谱畸变，提升镜头成像的数值孔径、集光能力，可获得光照度分布均匀、高光谱分辨率的光学像。本实用新型技术方案所提供的分光成像系统，经过严格像差校正，具有数值孔径大、视场大、成像质量好、光谱畸变小、光谱分辨率高的特点，且结构紧凑，易于加工装调，稳定性强等优点，适用于光谱成像领域。

Claims (2)

1.一种快照式wynne-offner型分光成像系统，其特征在于：所述分光成像系统的光学元件为共轴、共光路、近似同心结构，按光线入射方向，依次为：弯向光线入射方向的弯月透镜（2），弯向光线入射方向的凹球面反射镜（3），与弯月透镜后表面相胶合的凸球面反射光栅（4）；系统的孔径光阑设置在凹球面反射镜（3）上；

弯月透镜（2）的后表面与凸球面反射光栅（4）相胶合；弯月透镜后表面、凹球面反射镜的前后表面为球面，它们的曲率半径依次为R₂₂、R₃，以mm为长度单位，满足条件：-62≤R₂₂≤-58，-130≤R₃≤-127；

弯月透镜（2）的前表面为偶次非球面，偶次非球面方程式为：

其中，r是曲率半径；c是曲率，k是二次曲面系数，k=4.4×10^-3；a₂和a₃分别是各单项式的系数，取值范围为-1.45×10^-8≤a₂≤-1.35×10^-8，4.4×10^-12≤a₃≤4.8×10^-12。

2.根据权利要求1所述的一种快照式wynne-offner型分光成像系统，其特征在于：它的物方数值孔径NA的取值范围为0.20≤NA≤0.23，筒长L的取值范围为120mm≤L≤140mm。

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