CN220104288U - 一种可变光谱分辨率的分光成像系统 - Google Patents
一种可变光谱分辨率的分光成像系统 Download PDFInfo
- Publication number
- CN220104288U CN220104288U CN202321180164.8U CN202321180164U CN220104288U CN 220104288 U CN220104288 U CN 220104288U CN 202321180164 U CN202321180164 U CN 202321180164U CN 220104288 U CN220104288 U CN 220104288U
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- variable
- reticle
- meniscus lens
- imaging system
- spectral
- 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
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 title claims abstract description 51
- 238000000701 chemical imaging Methods 0.000 title claims abstract description 32
- 230000005499 meniscus Effects 0.000 claims abstract description 27
- 230000003247 decreasing effect Effects 0.000 claims abstract description 3
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims description 7
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims description 2
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 abstract description 18
- 230000004075 alteration Effects 0.000 abstract description 6
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 14
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 description 10
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 5
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 3
- 102100025490 Slit homolog 1 protein Human genes 0.000 description 2
- 101710123186 Slit homolog 1 protein Proteins 0.000 description 2
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 2
- 201000009310 astigmatism Diseases 0.000 description 2
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 description 2
- 244000007853 Sarothamnus scoparius Species 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000000470 constituent Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 239000005431 greenhouse gas Substances 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 238000000034 method Methods 0.000 description 1
- 241000894007 species Species 0.000 description 1
Landscapes
- Spectrometry And Color Measurement (AREA)
Abstract
本实用新型涉及一种可变光谱分辨率的分光成像系统。按光线入射方向，包括入射狭缝，呈同心结构的弯月透镜、凹球面反射镜、变刻线密度全息凸面反射光栅，及面阵传感器；变刻线密度全息凸面反射光栅贴合于弯月透镜外表面的中心处，在沿子午方向的不同孔径处，设有2～6段不同的刻线密度，各段的刻线密度依次增加或减少。本实用新型提供的分光成像系统可在像面上得到多种不同光谱分辨率的光谱图像，采用的全息光栅不仅具有分光的作用，还可以平衡全视场像差，具有高数值孔径的优点，集光能力强，适用于对同一目标同时进行多种精度光谱分辨率成像的机载遥感应用。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种推扫式成像光谱技术，特别涉及一种可变光谱分辨率的分光成像系统。
背景技术
成像光谱仪可同时获取探测目标的两维空间信息和其一维光谱信息，即可同时探测目标的几何结构和物化特性，为直观认识物质与微观上实现对物质的化学成分、结构以及组成元素的精细结构分析提供了一种有效的手段，在空间探测、精准农业、温室气体监测和物质特征识别等诸多领域发挥十分重要的作用，在加工制造等与国民经济发展密切相关的领域也发挥着越来越重要的作用。
现有文献报道的推扫式成像光谱仪仅能提供固定的光谱分辨率，或在不同的波段提供不同的光谱分辨率，难以满足复杂的目标场景探测需求。例如在植被覆盖率监测时，低光谱分辨率即可满足要求；当对各树木种类进行分析时，需要精确分析各种树木的光谱特征，此时就需要高光谱分辨率的数据。
在本实用新型作出之前，文献 “Analysis method of the Offnerhyperspectral imaging spectrometer based on vector aberration theory”（ [J] .Applied Optics , 2021， 60,2): 264-275）报道了一种基于自由曲面的Offner成像光谱仪，其狭缝长度为22.5mm，数值孔径NA为0.167，工作波段400～1000nm，光谱分辨率为固定的2.7nm；文献《变间距凸面光栅成像光谱系统的消像散设计》（[J].光学精密工程，2020,28 （10））报道了一种基于变间距凸面光栅的消像差凸面光栅成像光谱系统，其F数为2.7，狭缝长度为10mm，光谱分辨率为固定的3.3nm。中国实用新型专利CN210005114 U公布了一种全波段大相对孔径Dyson光谱成像系统，前置物镜采用了离轴三反望远系统，采用棱镜分视场成像，实用4个不同波段的Dyson成像光谱仪，可见近红外的光谱分辨率达到5nm、短波红外的光谱分辨率达到10nm、中波红外的光谱分辨率达到40nm、长波红外的光谱分辨率达到80nm。
发明内容
本实用新型针对现有技术存在的不足，提供了一种可变光谱分辨率的分光成像系统，可在像面上提供全工作波段多种光谱分辨率的光谱图像，实现对同一目标同时进行多种精度光谱分辨率成像。
为了实现上述发明目的，本实用新型采用的技术方案是提供一种可变光谱分辨率的分光成像系统，按光线入射方向，依次包括入射狭缝、弯月透镜、凹球面反射镜、变刻线密度全息凸面反射光栅及面阵传感器；所述的弯月透镜弯向光线入射方向，它的内、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，凹球面反射镜位于弯月透镜的外表面一侧；变刻线密度全息凸面反射光栅贴合于弯月透镜外表面的中心处；弯月透镜、变刻线密度全息凸面反射光栅和凹球面反射镜呈同心结构；所述的变刻线密度全息凸面反射光栅在子午方向不同孔径处，设有2～6个具有不同刻线密度的分孔径，每个分孔径段内的刻线密度相同，各分孔径的刻线密度依次呈递增或递减。
本实用新型所述的变刻线密度全息凸面反射光栅的各分孔径段中的刻线密度，最低范围为50～100lp/mm，刻线密度最高范围为250～350lp/mm。
本实用新型提供的一种可变光谱分辨率的分光成像系统，它的工作波段为400nm～780nm；它的狭缝长度为15mm～40mm；它的数值孔径为0.15～0.3；它的光学长度为50mm～150mm。
本实用新型的原理是：将变刻线密度全息凸面反射光栅应用到分光成像系统中，变刻线密度全息凸面反射光栅在子午方向不同孔径处具有不同的刻线密度，可在像面上提供多种不同光谱分辨率的光谱图像，同时全息光栅不仅具有分光的作用，还可以平衡全视场像差，尤其是像散，以同时实现成像光谱系统的多种光谱分辨率成像。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
1.相比于传统的推扫式分光成像系统仅具有固定光谱分辨率，本实用新型提供的变光谱分辨率的分光成像系统可提供多不同精度的光谱分辨率，每种分辨率均包含工作波段内的全部光谱信息。
2本实用新型采用的变刻线密度全息凸面反射光栅，不仅具有色散作用，可提供多种不同的光谱分辨率，还可以利用自身的全息像差补偿系统固有的几何像差，尤其平衡了像散。
3.相比于传统的Offner型分光成像系统，本实用新型采用同心结构的弯月透镜，在相同的波段时，该结构无需使用自由曲面面型的光学元件即可提高系统的数值孔径，增大系统的狭缝长度。
附图说明
图1是本实用新型实施例提供的可变光谱分辨率的分光成像系统的结构示意图；
图2是本实用新型实施例所采用的变刻线密度全息凸面反射光栅的分孔径示意图及全息记录光路原理图；
图3是本实用新型实施例中不同光谱分辨率成像对应的像面位置示意图；
图4是本实用新型实施例提供的可变光谱分辨率的分光成像系统得到的全视场RMS光斑半径曲线图；
图5是本实用新型实施例提供的可变光谱分辨率的分光成像系统得到的全视场全工作波段的点列图。
图中，1.入射狭缝；2.弯月透镜；3.凹球面反射镜；4.变刻线密度全息凸面反射光栅；5.面阵传感器。
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
本实施例提供一种可变光谱分辨率的分光成像系统。
参见附图1，它是本实施例提供的可变光谱分辨率的分光成像系统的结构示意图，图1所在坐标系中，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，截面为子午面；分光成像系统包括入射狭缝1，一片弯月透镜2、一片凹球面反射镜3、变刻线密度全息凸面反射光栅4及面阵传感器5；其中，弯月透镜、一片凹球面反射镜和变刻线密度全息凸面反射光栅呈同心结构；弯月透镜弯向光线入射方向，内、外表面均为球面；入射狭缝和面阵传感器位于弯月透镜的内表面一侧，凹球面反射镜位于弯月透镜的外表面一侧；变刻线密度全息凸面反射光栅贴合于弯月透镜外表面的中心处；弯月透镜的内、外表面的球心与变刻线密度全息凸面反射光栅的球心重合于光轴。
本实施例提供的可变光谱分辨率的分光成像系统其性能参数满足表1的条件。
表1
参见附图2，所在坐标系中，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，截面为子午面；反射光栅的面型为凸面；（a）图是本实施例提供的变刻线密度全息凸面反射光栅子午方向设置的分孔径的示意图，本实施例设置3个分孔径，依次为孔径1、孔径2和3；（b）图是全息记录光路示意图，O为消像差凸面全息光栅的中心，虚线圆为罗兰圆，λ0 为记录波长，全息记录点C、D与光轴的夹角分别为δ，γ，记录臂长分别为rC和rD。通过设计两个全息记录点在罗兰圆上的位置可以得到符合参数要求的变刻线密度全息凸面反射光栅。变刻线密度全息凸面反射光栅的刻线密度p为：
本实施例中使用的变刻线密度全息凸面反射光栅3个不同孔径的全息记录参数和刻线密度见如表2所示。
表2
本实施例各光学元件（面）满足表3的条件。
表3：
采用本实施例提供的可变光谱分辨率分光成像系统，分光成像步骤如下：
（1）从入射狭缝1入射的光线，经弯月透镜2折射，凹球面反射镜3反射后，以会聚光束的形式入射到变刻线密度全息凸面反射光栅4上；
（2）会聚光束经变刻线密度全息凸面反射光栅4衍射后实现光谱分光，因变刻线密度全息凸面反射光栅在子午方向上、中、下三个分孔径处刻线密度不同，衍射分光后获得三束发散光束；
（3）衍射分光的三束光束再次经凹球面反射镜3反射，弯月透镜2折射后，分别会聚于面传感器5的不同位置，实现3种精度光谱分辨率的高光谱成像。
参见附图3，它是本实施例中不同光谱分辨率成像光线对应的像面位置；图中所在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，截面为弧矢面；经过孔径1的光线成像在像面1处，提供0.5nm的高光谱分辨率；经过孔径2的光线成像在像面2处，提供1nm的中等光谱分辨率；经过孔径3的光线成像在像面3处，提供2nm的低光谱分辨率。
参见附图4，它是本实施例提供的可变光谱分辨率分光成像系统点列图均方根（RMS）光斑半径随狭缝长度（视场）变化的曲线图。（a）图是像面1中全视场的RMS半径，（b）图是像面2中全视场的RMS半径，（c）图是像面3中全视场的RMS半径。由图4可知，在全视场各工作波段中，系统的RMS光斑半径均小于3μm，接近衍射极限RMS半径，能量集中，像质优。
参见附图5，它是本实施例提供的可变光谱分辨率分光成像系统点列图。（a）图是像面1点列图，（b）图是像面2点列图，（c）图是像面3点列图。由图5可知，在全视场各工作波段中，系统点列图接近衍射极限，成像质量好。
结果证明，本实用新型提供的可变光谱分辨率分光成像系统，其数值孔径可达0.21，狭缝长度20mm，工作波段400nm到780nm，可同时实现三种不同光谱分辨率的高像质成像，满足对同一目标同时进行多种精度、全工作波段光谱分辨率成像的应用需求。
Claims (6)
1.一种可变光谱分辨率的分光成像系统，其特征在于：按光线入射方向，依次包括入射狭缝（1）、弯月透镜（2）、凹球面反射镜（3）、变刻线密度全息凸面反射光栅（4）及面阵传感器（5）；所述的弯月透镜（2）弯向光线入射方向，它的内、外表面为球面；入射狭缝（1）和面阵传感器（5）位于弯月透镜的内表面一侧，凹球面反射镜（3）位于弯月透镜的外表面一侧；变刻线密度全息凸面反射光栅（4）置于弯月透镜（2）外表面的中心处；弯月透镜（2）、变刻线密度全息凸面反射光栅和凹球面反射镜（3）呈同心结构；所述的变刻线密度全息凸面反射光栅在子午方向不同孔径处，设有2～6个具有不同刻线密度的分孔径，每个分孔径段内的刻线密度相同，各分孔径的刻线密度依次呈递增或递减。
2.根据权利要求1所述的一种可变光谱分辨率的分光成像系统，其特征在于：所述变刻线密度全息凸面反射光栅的各分孔径段中的刻线密度，最低范围为50～100lp/mm，刻线密度最高范围为250～350lp/mm。
3.根据权利要求1所述的一种可变光谱分辨率的分光成像系统，其特征在于：它的工作波段为400nm～780nm。
4.根据权利要求1所述的一种可变光谱分辨率的分光成像系统，其特征在于：它的狭缝长度为15mm～40mm。
5.根据权利要求1所述的一种可变光谱分辨率的分光成像系统，其特征在于：它的数值孔径为0.15～0.3。
6.根据权利要求1所述的一种可变光谱分辨率的分光成像系统，其特征在于：它的光学长度为50mm～150mm。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202321180164.8U CN220104288U (zh) | 2023-05-16 | 2023-05-16 | 一种可变光谱分辨率的分光成像系统 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202321180164.8U CN220104288U (zh) | 2023-05-16 | 2023-05-16 | 一种可变光谱分辨率的分光成像系统 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN220104288U true CN220104288U (zh) | 2023-11-28 |
Family
ID=88847452
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202321180164.8U Active CN220104288U (zh) | 2023-05-16 | 2023-05-16 | 一种可变光谱分辨率的分光成像系统 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN220104288U (zh) |
-
2023
- 2023-05-16 CN CN202321180164.8U patent/CN220104288U/zh active Active
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US6100974A (en) | Imaging spectrometer/camera having convex grating | |
| US8520204B2 (en) | Dyson-type imaging spectrometer having improved image quality and low distortion | |
| US20060082772A1 (en) | Scalable imaging spectrometer | |
| CN109974852B (zh) | 快照式光栅光谱仪 | |
| US20120105845A1 (en) | Imaging Spectrometer | |
| CN108051083A (zh) | 一种光谱成像装置 | |
| CN108896175B (zh) | 一种用于植被微弱荧光被动探测的高分辨率、高数值孔径成像光谱仪 | |
| CN110849829A (zh) | 一种气体浓度检测的高光谱系统 | |
| CN220104288U (zh) | 一种可变光谱分辨率的分光成像系统 | |
| CN216526504U (zh) | 一种基于自由曲面棱镜的大视场分光成像系统 | |
| CN106352985A (zh) | 一种非对称空间外差光谱仪结构 | |
| CN116026460A (zh) | 一种用于成像光谱仪的大视场高保真快照式分光成像方法 | |
| CN116182738A (zh) | 基于分波段多光谱的薄膜表界面轮廓同步测量方法及装置 | |
| CN214583656U (zh) | 一种棱镜分光的手持式共口径成像光谱仪 | |
| CN211877754U (zh) | 一种气体浓度检测的高光谱系统 | |
| CN116519135A (zh) | 一种具有多精度光谱分辨率的分光成像方法 | |
| CN219996351U (zh) | 一种用于快照式光谱成像仪的棱镜型分光成像系统 | |
| CN210268902U (zh) | 紧凑型折反射式平面光栅高光谱成像仪光学系统 | |
| US10578488B1 (en) | Compact light dispersion system | |
| 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 | |
| CN217483671U (zh) | 一种基于自由曲面的分光成像系统 | |
| CN117129081A (zh) | 一种适用于快照式光谱成像的分光成像方法 | |
| CN111678598B (zh) | 一种Dyson曲面棱镜光谱成像系统 | |
| CN217738457U (zh) | 一种大孔径紧凑型快照式分光成像系统 | |
| CN218180118U (zh) | 一种浸没式littrow-Offner分光成像系统 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |