CN219996351U - 一种用于快照式光谱成像仪的棱镜型分光成像系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种用于快照式光谱成像仪的棱镜型分光成像系统，由一片半球透镜和两片曲面棱镜构成，为同心折返共光路结构，按光线入射方向，依次为前表面为平面的半球透镜，弯向光线入射方向的第一片曲面棱镜，弯向光线入射方向的第二片曲面棱镜；两片棱镜相互胶合，顶角相对设置，在第二片曲面棱镜的后表面镀有高反射膜，设置系统的孔径光阑；第一片曲面棱镜为低折射率、高阿贝数的材料，第二片曲面棱镜为高折射率、低阿贝数的材料。由于系统采用了共光路结构，光线两次经过半球透镜和两片曲面棱镜，有效提升了色散能力，且结构紧凑。本实用新型提供的分光成像系统具有大数值孔径、高光能利用率、高光谱分辨率、结构紧凑等特点，应用前景广泛。

Description

一种用于快照式光谱成像仪的棱镜型分光成像系统

技术领域

本实用新型涉及一种快照式光谱成像仪的分光成像系统，具体涉及一种棱镜型分光成像系统。

背景技术

对运动目标进行实时精确定位与物质变化分析，是人类研究事物运动变化规律的重要手段。传统扫描型成像光谱仪通过对目标物逐点扫描、逐线扫描或逐波长扫描，在扫描过程中多次曝光，获取目标物完整的空间信息和光谱信息，即传统扫描式高光谱成像技术需通过一定时间的扫描才能获取目标区域的完整空间信息和光谱信息，将此类系统用于动态场景捕获时会产生运动伪影，影响探测质量，因此不具备实时性；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的分析鉴别，人们对高光谱成像光学系统提出了更高的要求，要求获取动态目标信息及即时获取高空间和高光谱分辨率的目标区域信息，而快照式高光谱成像技术利用二维焦平面探测器阵列对目标区域进行实时的完整三维数据立方的获取，可实现对运动目标进行实时精确定位与分析，是人类研究事物运动变化规律的重要内容。快照式光谱技术由于其独特的优势在国计民生等诸多领域，例如，在军事领域，包括坦克、飞弹等运动目标，通过快照式高光谱成像系统可实现对运动目标的准确识别与跟踪；在生物医学领域，可通过快照式高光谱成像系统分析细胞时序。

分光元件作为快照式光谱成像系统的分光成像系统的核心部分，决定了系统的成像性能及光谱分辨率。传统分光色散元件主要为光栅与棱镜，与棱镜色散分光型快照式光谱成像系统相比，光栅分光型快照式光谱成像系统存在光谱叠级问题，导致其成像视场与工作波段存在制约，因此难以同时实现宽波段和大成像视场的快照式高光谱成像，且光能利用率低。近年来，由于曲面棱镜加工技术的进步，曲面棱镜在光学系统设计中得到了广泛使用。曲面棱镜由标准球面玻璃材料构成，它对很宽光谱范围内的光能利用率都较高，是许多宽谱段中高等分辨率光谱成像系统的优选方案。采用曲面棱镜可有效避免光栅的低衍射效率、低光通量、高级衍射杂光等缺点，且在发散及会聚光束中，曲面棱镜的引入也能较好约束像差，减小系统的体积，减轻系统受杂光影响。

中国发明专利CN110146166A提供了一种复杂化Offner结构并引入自由曲面棱镜的分光系统，它的光学元件包括两片自由曲面棱镜与三片球面反射镜，以此校正离轴像差。但该系统在入射光束的孔径角较大时存在中心遮拦，因此无法实现大数值孔径光束的成像，系统光谱分辨率低；同时，该系统光学元件的两处表面引入自由曲面，以及光学元件之间的离轴设计，加大了工业制造难度与安装校准难度。

因此，提供一种大数值孔径、高光能量利用率的用于快照式光谱成像仪的分光成像系统，以解决目前大多分光成像系统存在的问题，对于光谱成像技术的推广及应用具有重大实际意义。

发明内容

本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种宽工作波段、大数值孔径、高光谱分辨率、结构紧凑的用于快照式光谱成像仪的棱镜型分光成像系统。

实现本实用新型发明目的的技术方案是提供一种用于快照式光谱成像仪的棱镜型分光成像系统，它为同心折返共光路结构，按光线入射方向，光学元件依次为：前表面为平面的半球透镜，弯向光线入射方向的第一片曲面棱镜，弯向光线入射方向的第二片曲面棱镜；所述的第一片曲面棱镜的后表面与第二片曲面棱镜的前表面相互胶合，两片棱镜的顶角相对设置，在第二片曲面棱镜的后表面镀有高反射膜，系统的孔径光阑设置于第二片曲面棱镜的后表面；第一片曲面棱镜、第二片曲面棱镜的折射率依次为n₃和n₄，阿贝数依次为v₃和v₄，满足条件：1.69≤n₃≤1.71，1.90≤n₄≤1.94； 56≤v₃≤60，19≤v₄≤23。

所述的半球透镜的后表面、第一片曲面棱镜的前表面、第一片曲面棱镜的后表面和第二片曲面棱镜的后表面均为球面，曲率半径依次为R₂₂、R₃₁、R₃₂、R₄₂，满足条件：-88mm≤R₂₂≤-84mm、-243mm≤R₃₁≤-238mm、-252mm≤R₃₂≤-247mm、-262mm≤R₄₂≤-257mm。

所述分光成像系统的物方数值孔径NA为0.16≤NA≤0.19，筒长L为240mm≤L≤270mm。

本实用新型实施例中，快照式分光成像系统具备同心折返共光路特点，两片曲面棱镜的顶角相对设置，同时对光线进行分光和成像，提升系统光能量利用率，有效提升系统集光能力；同时，共光路结构，进一步提升系统的分光能力，结构紧凑。

光线两次经过半球透镜和两片曲面棱镜，系统共光路，提升系统色散能力，易于以紧凑结构实现大孔径与高光谱分辨率成像；

与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：

1.本实用新型提供的分光成像系统，仅用两片折射率不同的曲面棱镜构成系统分光部分，采用共轴同心共光路结构，提升系统的分光能力与光能量利用率，具备结构紧凑、易于加工装调、稳定性强的特点。

2.本实用新型通过对两片曲面棱镜折射率的合理选择，提升系统分光能力，有效平衡由于曲面棱镜子午方向失去对称性而引入的像散，同时光谱畸变改善明显，谱线弯曲控制在1.2μm内，色畸变控制在1.2μm内，利于光谱标定和后期图像处理。

3.本实用新型结合同心光学系统和曲面棱镜的优势，数值孔径大、成像视场宽、入射光通量高，半球透镜和两片曲面棱镜的表面面型均为标准球面，降低镜头加工难度及成本，结构紧凑，易于装调，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棱镜型分光成像系统的结构示意图；

图中，1.物面；2.半球透镜；22.半球透镜的后表面；3.第一片曲面棱镜；31、32.第一片曲面棱镜的前、后表面；4.第二片曲面棱镜；42.第二片曲面棱镜的后表面；5.像面；

图2是本实用新型实施例所述的棱镜型分光成像系统的光线追迹点列图；

图3(a)、(b)、(C)是本实用新型实施例所述的棱镜型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棱镜型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技术方案作进一步的阐述。

实施例

本实施例提供一种用于快照式光谱成像系统的棱镜型分光成像系统。光学镜头由一片半球透镜和两片曲面棱镜组成，物方数值孔径NA=0.2，物方视场为15×4mm，工作波段为400～760nm。

参见附图1，它是本实施例提供的棱镜型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，系统为同心折返共光路结构，按光线入射方向，光学元件依次为：半球透镜2，其前表面为平面，后表面22为球面；弯向光线入射方向的第一片曲面棱镜3，其前表面31为球面；弯向光线入射方向的第二片曲面棱镜4，第一片曲面棱镜的后表面32与第二片曲面棱镜的前表面相互胶合，两片棱镜的顶角相对设置，组成分光成像系统双棱镜分光部分，两片棱镜选用的玻璃折射率不同，第一片曲面棱镜为低折射率、高阿贝数的材料，第二片曲面棱镜为高折射率、低阿贝数的材料，实现系统非线性色散的校正，且系统光谱畸变小；在第二片曲面棱镜的后表面42镀有高反射膜，系统的孔径光阑设置于第二片曲面棱镜的后表面；物面与像面紧贴半球透镜的前表面。

本实施例各光学元件的参数如表1所示。

表1：

该分光成像系统成像时，首先，物面处的出射的复色光线，入射至半球透镜，将大孔径光线进行会聚后入射到第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜，复色发散光经两片曲面棱镜分成不同波长的单色会聚光线，并入射至第二片曲面棱镜的后表面，光线反射并会聚；不同波长的单色会聚光线再次入射至第二片曲面棱镜、第一片曲面棱镜和半球透镜，光线经聚焦后成像于像面，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、490nm、580nm、670nm和760nm五个波长对应的各个视场的点列图均方根半径小于2.24μm，点列图几何半径小于4.46μm，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90lp/mm下400nm（a）、580nm（b）和760nm（c）波长的各视场的MTF值均大于0.43，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760nm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，能量集中。

本实用新型技术方案提供的棱镜型分光成像系统，仅由一片半球透镜和两片曲面棱镜组成。其中，曲面棱镜同时具备成像和分光能力，通过对两片曲面棱镜玻璃折射率的合理选择，并进行复杂化设计，提升镜头成像的数值孔径、集光能力，提升系统的光能量利用率，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，具有数值孔径大、视场大、成像质量好、光谱分辨率高、光能量利用率高的特点，且结构紧凑，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. 一种用于快照式光谱成像仪的棱镜型分光成像系统，其特征在于：所述的分光成像系统为同心折返共光路结构，按光线入射方向，光学元件依次为：前表面为平面的半球透镜（2），弯向光线入射方向的第一片曲面棱镜（3），弯向光线入射方向的第二片曲面棱镜（4）；所述的第一片曲面棱镜的后表面（32）与第二片曲面棱镜的前表面相互胶合，两片棱镜的顶角相对设置，在第二片曲面棱镜的后表面（42）镀有高反射膜，系统的孔径光阑设置于第二片曲面棱镜的后表面；第一片曲面棱镜、第二片曲面棱镜的折射率依次为n₃和n₄，阿贝数依次为v₃和v₄，满足条件：1.69≤n₃≤1.71，1.90≤n₄≤1.94； 56≤v₃≤60，19≤v₄≤23。

2.根据权利要求1所述的一种用于快照式光谱成像仪的棱镜型分光成像系统，其特征在于：半球透镜（2）的后表面（22）、第一片曲面棱镜（3）的前表面（31）、第一片曲面棱镜的后表面（32）和第二片曲面棱镜（4）的后表面（42）均为球面，曲率半径依次为R₂₂、R₃₁、R₃₂、R₄₂，满足条件：-88mm≤R₂₂≤-84mm、-243mm≤R₃₁≤-238mm、-252mm≤R₃₂≤-247mm、-262mm≤R₄₂≤-257mm。

3.根据权利要求1所述的一种用于快照式光谱成像仪的棱镜型分光成像系统，其特征在于：它的物方数值孔径NA为0.16≤NA≤0.19，筒长L为240mm≤L≤270mm。