一种基于自由曲面棱镜的大视场分光成像系统

1.本实用新型涉及光谱仪技术领域，具体涉及一种基于自由曲面棱镜的大视场分光成像系统。


背景技术：

2.光谱成像技术将光谱和成像技术相结合，实现目标场景二维图像信息和一维光谱信息的同时获取，构成三维数据立方体，对获取的光谱信息进行分析处理。从卫星图像分析乃至食品安全检测，光谱成像技术的应用极其广泛，随着新应用背景的开拓，新的工作环境对于光谱成像系统的视场、信噪比与分辨率等指标提出了更高的要求。
3.分光技术为光谱仪系统的核心，决定成像光谱仪的基本性能，其中以光栅和棱镜作为分光元件所设计的光谱仪系统居多。传统offner光谱仪使用凸面光栅作为其分光元件，具有良好的成像性能，但凸面光栅制作难度大、价格昂贵，且光栅一般只使用某一级光谱，使得光能利用率低，同时仍存在杂散光、光谱叠级、鬼像等不足。在本实用新型作出之前，中国发明专利cn110319932a公开了一种基于offner中继结构的曲面棱镜色散型成像光学系统，但该系统数值孔径小，视场小，且系统引入过多棱镜以及采用分离主反射镜的方式，增大系统装调和校准难度。
4.在同心光学系统中，由于色散元件的加入使得系统对称性被破坏，存在较大的像散像差系统，且狭缝越长，像差校正越困难，现有技术常采取分离主反射镜与第三反射镜的手段，增加优化变量，然而此种方法提高了光学结构复杂程度，且系统的装调和校准比较困难。


技术实现要素：

5.本实用新型针对现有技术存在的不足，提供一种光能利用率高、光谱分辨率高、结构简单紧凑、易于加工装调的棱镜型高光谱成像系统。
6.本实用新型所采用的技术方案是提供一种基于自由曲面棱镜的大视场分光成像系统系统的光路呈对称结构，包括入射狭缝，呈近似同心结构的反射镜和曲面棱镜分光镜组；所述的反射镜为自由曲面反射镜，其曲面弯向光线入射方向，包括入射光反射区和分光反射区；所述的曲面棱镜分光镜组包括一块曲面棱镜和一块自由曲面棱镜，两块棱镜的顶角相对设置，两块棱镜的曲面弯向光线入射方向；所述自由曲面棱镜的反射面镀有高反膜，系统的孔径光阑设置在自由曲面棱镜的反射面上；
7.所述自由曲面反射镜的反射面为xy多项式自由曲面，其所在坐标系为以自由曲面反射镜的顶点为原点o构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为z轴正方向，y轴正方向向上，x轴正方向向外，所述坐标系中xy多项式自由曲面的方程式为：
[0008][0009]
其中，是半径；c是曲率，c=-4.63
×
10-3
；k是二次曲面系数， k=0.243；～分别是各单项式的系数，取值范围为0.197≤≤0.199，
ꢀ‑
1.725≤≤-1.723，-1.688≤≤-1.686，0.061≤≤0.063，0.018≤≤0.021，0.077≤≤0.079，0.173≤≤0.175，-0.160≤≤-0.158，-3.07
×
10-3
≤≤-3.04
×
10-3
，0.010≤≤0.014，0.125≤≤0.128；
[0010]
所述自由曲面棱镜的反射面为xy多项式自由曲面，其所在坐标系为以自由曲面棱镜的顶点为原点o构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为z轴正方向，y轴正方向向上，x轴正方向向外，所述坐标系中xy多项式自由曲面的方程式为：
[0011][0012]
其中，c是曲率，c=-0.011；k是二次曲面系数，k=2.36
×
10-3
；是半径；～分别是各单项式的系数，取值范围为0.010≤≤0.012，
ꢀ‑
5.31
×
10-5
≤≤-4.91
×
10-5
，-1.2
×
10-4
≤≤-1.0
×
10-4
，-4.51
×
10-3
≤≤-4.48
×
10-3
，3.42
×
10-3
≤≤3.44
×
10-3
，7.635
×
10-4
≤≤7.640
×
10-4
，2.11
×
10-3
≤≤2.13
×
10-3
，-3.3
×
10-3
≤≤-3.1
×
10-3
，3.95
×
10-3
≤≤3.97
×
10-3
，-2.93
×
10-4
≤≤-2.88
×
10-4
，8.85
×
10-4
≤≤8.89
×
10-4
。
[0013]
本实用新型提供的分光成像系统的工作f数的取值范围为4≤f/#≤5；入射狭缝总长s为70≤s≤80mm；所述系统的总长l为210≤l≤220mm。
[0014]
本实用新型的原理是：光线经入射狭缝到达自由曲面反射镜处发生反射；反射光线经过曲面棱镜和自由曲面棱镜后，由自由曲面棱镜的后表面反射，再次分别经过自由曲面棱镜和曲面棱镜，达到曲面棱镜的分光和像差平衡效果；经色散分光后的光束再次入射到自由曲面反射镜上，对不同波长及不同视场的光进行像差补偿和校正，同时将光束会聚在像面处，得到大视场、高分辨率、高光能利用率的像。曲面棱镜组同时具备色散和聚焦功能，但在子午方向失去对称性，导致像散为其固有像差，且引入的分光元件也破坏offner型结构对称性存在较大像散，因此，系统两处引入自由曲面，对各波长和视场的光线平衡和校正像差。
[0015]
本实用新型结合自由曲面和曲面棱镜，抑制色散非线性，并很好地补偿校正像差，能满足大视场、高光能利用率、高光谱分辨率的应用需求。
[0016]
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
[0017]
1.本实用新型引入自由曲面棱镜，仅用两块材质不同的曲面棱镜构成系统分光部分，且使光束两次通过曲面棱镜组，保证高光能利用率的同时，有效抑制色散非线性；在自
由曲面棱镜后表面镀上反射膜，减小系统体积和质量。
[0018]
2.本实用新型采用的自由曲面反射镜反射镜将入射光反射和分光反射设置于同一片反射镜的不同区域，便于装调。
[0019]
3. 本实用新型采用自由曲面和曲面棱镜相结合结构，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，同时畸变改善明显，谱线弯曲控制在6μm内，谱带弯曲控制在0.5μm内，利于光谱标定和后期图像处理。
[0020]
3.本实用新型利用同心光学系统和棱镜色散的优势，数值孔径大、入射光通量高，引入光学元件少，仅由两块曲面棱镜和一片反射镜构成，结构简单紧凑、易于装调，具有实际应用价值。
附图说明
[0021]
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；
[0022]
图2是本实用新型实施例提供的分光成像系统的全视场全工作波段的聚焦光斑rms半径曲线图；
[0023]
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曲线mtf曲线图；
[0024]
图中，1.入射狭缝；2.自由曲面反射镜；3.曲面棱镜；4.自由曲面棱镜；41.自由曲面棱镜后表面（反射面）；5.像面。
具体实施方式
[0025]
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。
[0026]
实施例一：
[0027]
本实施例的技术方案是提供一种基于自由曲面棱镜的大视场分光成像系统。光学系统的f数为f/#=5；入射狭缝总长s为s=70mm，工作波长为400～800nm。
[0028]
参见附图1，它是本实施例提供的分光成像系统结构示意图，系统的光路呈对称结构，按光线入射方向，光学元件依次为：入射狭缝1、自由曲面反射镜2、由曲面棱镜3和自由曲面棱镜4组成的曲面棱镜分光镜组、像面5；自由曲面反射镜与曲面棱镜分光镜组呈近似同心结构；自由曲面反射镜的反射曲面弯向光线入射方向，包括入射光反射区和分光反射区；一块曲面棱镜和一块自由曲面棱镜组成的曲面棱镜分光镜组中，两块棱镜的顶角相对设置，两块棱镜的曲面弯向光线入射方向，自由曲面棱镜后表面41为镀有高反膜的反射面，系统的孔径光阑设置在自由曲面棱镜的反射面上。
[0029]
在本实施例中，自由曲面反射镜的反射面为xy多项式自由曲面，其所在坐标系为以自由曲面反射镜的顶点为原点o构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为z轴正方向，y轴正方向向上，x轴正方向向外，所述坐标系中xy多项式自由曲面的方程式为：
[0030][0031]
其中，是半径；c是曲率，c=-4.63
×
10-3
；k是二次曲面系数, k=0.243；
～分别是各单项式的系数，分别为：=0.198，=-1.724，=-1.687，=0.062，=0.02，=0.078，=0.174，=-0.159，=-3.05
×
10-3
，=0.012，=0.127。
[0032]
在本实施例中，自由曲面棱镜的反射面为xy多项式自由曲面，其所在坐标系为以自由曲面棱镜的顶点为原点o构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为z轴正方向，y轴正方向向上，x轴正方向向外，所述坐标系中xy多项式自由曲面的方程式为：
[0033][0034]
其中，c是曲率，c=-0.011；k是二次曲面系数，k=2.36
×
10-3
；是半径；～分别是各单项式的系数，分别为：=0.011，=-5.11
×
10-5
，=-1.11
×
10-4
，=-4.49
×
10-3
，=3.43
×
10-3
，=7.638
×
10-4
，=2.12
×
10-3
，=-3.2
×
10-3
，=3.958
×
10-3
，=-2.912
×
10-4
，=8.872
×
10-4
。
[0035]
本实施例提供的分光成像系统成像时，光线经入射狭缝1到达自由曲面反射镜2的入射光反射区发生反射；反射光依次经过曲面棱镜分光镜组的曲面棱镜3和自由曲面棱镜4后，由自由曲面棱镜后表面41反射，再依次经过自由曲面棱镜和曲面棱镜，光能利用率高，色散线性性好，达到色散分光的效果；经色散分光后的光束再次入射到自由曲面反射镜上，不同波长的入射光经自由曲面反射镜的分光反射区反射后会聚在像面5处。
[0036]
本实施例各光学元件的参数参见表1所示。
[0037][0038]
本实施例提供的分光成像系统的性能参数参见表2所示。
[0039]
表2:光谱范围（nm）400～800数值孔径0.1像平面色散宽度（mm）2狭缝长度（mm）70短波长光谱分辨率（nm）＜1长波长光谱分辨率（nm）＜8光谱通道数200
谱线弯曲（μm）＜6谱带弯曲（μm）＜0.5
[0040]
参见附图2，它是本实施例提供的分光成像系统在全视场工作波段中的聚焦光斑rms半径曲线图，曲线（a）是全视场全工作波段的rms半径，曲线（b）是衍射极限下全工作波段的rms半径。由图2可知，在全视场全工作波段中，系统的rms半径小于5.2μm，接近衍射极限rms半径，能量集中，满足使用要求。
[0041]
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曲线图；图中，（a）图，（b）图和（c）图分别对应本实施例提供的成像光谱仪在波长分别为0.4μm、0.6μm、0.8μm对应像面上的所有视场传递函数mtf曲线。由图3可得，在70lp/mm下0.4μm到0.8μm工作波段全视场的光学传递函数均大于0.3，接近衍射极限，曲线平滑紧凑，说明此系统成像清晰、均匀，在全波段以及全视场具有很好的成像质量。
[0042]
本实用新型技术方案提供的采用自由曲面棱镜的大视场分光成像系统，仅由三个光学元件组成，通过引入自由曲面和曲面棱镜平衡校正系统像差，提升光能量利用率和光谱分辨率。系统具有视场大、光能利用率高、光谱分辨率高等优点，结构简单紧凑、易于装调的特点，应用前景广泛。