基于自由曲面的光谱成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于自由曲面的光谱成像系统，其特征在于，包括：入射狭缝、曲面棱镜、自由曲面反射镜、平面反射镜与探测器像面；其中，入射狭缝是光谱成像系统的物面，光线由入射狭缝以物方远心入射至曲面棱镜，透射后由自由曲面反射镜反射，再一次经过曲面棱镜透射，最后经平面反射镜反射后，成像于探测器像面。该系统利用自由曲面的非旋转对称性，有效的克服了光栅衍射效率低，谱线级次重叠的问题；系统中仅采用了一个反射镜，一个棱镜，有效的平衡由于视场增大而带来的像差，扩大系统的成像范围，改善了成像质量，减小光谱仪器的体积和重量，实现系统简单化，为满足大视场大相对孔径宽谱段航空机载提供应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光谱成像
，尤其涉及一种基于自由曲面的光谱成像系统。
技术介绍
高光谱成像技术不同与传统成像，它是集光谱和成像于一体，能够同时获得目标的图像和光谱信息。传统成像记录的是研究对象的空间信息，传统光谱记录的是多个波长在每个像素的强度，提供研究对象的光谱信息。而高光谱成像能够同时获得研究对象的化学和物理特征，具有良好的空间分辨率和光谱分辨率。光谱成像技术作为一种特殊的光学技术最初应用于遥感测量，然后应用于军事、农业、医学等领域。目前，成像光谱仪主要以色散型为主，其中主要包括棱镜色散和光栅色散两种。其中，光栅分光方式衍射效率低，凸面光栅制造成本高，制作工艺不成熟，价格昂贵，加工制作难，装调难，通用性差，适用范围小。平面光栅难校正像差，棱镜色散由于能量高，无级次重叠等应用广泛。但传统棱镜色散属于非共轴光学系统，多个光轴像差难校正，加工装调难。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种基于自由曲面的光谱成像系统，其结构小型化，轻量化，简单化，且易于加工与装调检测。本专利技术的目的是通过以下技术方案实现的：一种基于自由曲面的光谱成像系统，包括：入射狭缝、曲面棱镜、自由曲面反射镜、平面反射镜与探测器像面；其中，入射狭缝是光谱成像系统的物面，光线由入射狭缝以物方远心入射至曲面棱镜，透射后由自由曲面反射镜反射，再一次经过曲面棱镜透射，最后经平面反射镜反射后，成像于探测器像面。所述自由曲面反射镜是基于Zernike多项式的数学模型，其表达式为：z=cr21+1-(1+k)c2r2+Σi=1NAiZi(ρ,φ);]]>其中，r为曲率半径，c为曲面常数，Ai为第i项zernike多项式系数，k为二次项系数，N为zernike项数，ρ，φ为zernike表达式的参数变量，Zi为使用的第i项zernike表达式。由上述本专利技术提供的技术方案可以看出，利用自由曲面的非旋转对称性，有效的克服了光栅衍射效率低，谱线级次重叠的问题；系统中仅采用了一个反射镜，一个棱镜，有效的平衡由于视场增大而带来的像差，扩大系统的成像范围，改善了成像质量，减小光谱仪器的体积和重量，实现系统简单化，为满足大视场大相对孔径宽谱段航空机载提供应用。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本专利技术实施例提供的一种基于自由曲面的光谱成像系统的结构示意图；图2为本专利技术实施例提供的系统在短波典型波长处全视场的MTF曲线示意图；图3为本专利技术实施例提供的系统在中波典型波长处全视场的MTF曲线示意图；图4为本专利技术实施例提供的系统在长波典型波长处全视场的MTF曲线示意图。具体实施方式下面结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术的保护范围。图1为本专利技术实施例提供的一种基于自由曲面的光谱成像系统的结构示意图。如图1所示，其主要包括：入射狭缝1、曲面棱镜2、自由曲面反射镜3、平面反射镜4与探测器像面5；其中，入射狭缝1是光谱成像系统的物面，光线由入射狭缝1以物方远心入射至曲面棱镜2，透射后由自由曲面反射镜3反射，再一次经过曲面棱镜2透射，最后经平面反射镜4反射后，成像于探测器像面5。本专利技术实施例中，平面反射镜4仅用来折转光路所用，不影响成像质量。整个光谱仪系统是通过曲面棱镜的两次透射，自由曲面反射镜的一次反射，实现了光路的简单化，小像差设计。本专利技术实施例的上述系统，利用自由曲面的非旋转对称性，有效的克服了光栅衍射效率低，谱线级次重叠的问题；系统中仅采用了一个反射镜，一个棱镜，有效的平衡由于视场增大而带来的像差，扩大系统的成像范围，改善了成像质量，减小光谱仪器的体积和重量，实现系统简单化，为满足大视场大相对孔径宽谱段航空机载提供应用。示例性的，本专利技术实施例提供的一种基于自由曲面的光谱成像系统的主要技术指标可以为：波长范围0.4μm～1μm，色散长度3mm，入射狭缝长度10mm，物方数值孔径0.12，系统总长77mm。系统光学元件的参数如表1所示。光学元件半径/mm厚度/mm其他/mm狭缝(物面)1平面62.7曲面棱镜2前表面-84.112曲面棱镜2后表面-96.925自由曲面反射镜3-122.540偏心13平面反射镜4平面63.7探测器像面5平面表1：光学元件参数本专利技术实施例中，自由曲面反射镜是基于Zernike多项式的数学模型，便于加工实现。数学模型的表达式为：z=cr21+1-(1+k)c2r2+Σi=1NAiZi(ρ,φ).]]>其中，r为曲率半径，c为曲面常数，Ai为第i项zernike多项式系数，k为二次项系数，N为zernike项数，ρ，φ为zernike表达式的参数变量，Zi为使用的第i项zernike表达式。其中自由曲面的系数如表2所示：Z1-Z16为zernike多项式系数，即为模型表达式中的Ai。Z1Z2Z3Z46.91.190.37-0.04Z5Z6Z7Z8-0.1460.0730.0540.056Z9Z10Z11Z12-0.151-0.033-0.016-0.042Z13Z14Z15Z16-0.020.103-0.02-6.496E-003表2：自由曲面的系数本专利技术实施例所提供的基于自由曲面的光谱成像系统在短波、中波、长波典型波长处全视场的MTF(调制传递函数)曲线分别如图2-4所示。其中的短波、中波、长波可以分别400nm、600nm1000nm。图2-4中，横轴spatialfrequencyincyclespermm为系统的截止频率，单位为线对/毫米，ModulusoftheOTF为调制传递函数值。从图中可以看出，各个波长在耐奎斯特频率以内的成像质量较好。本专利技术实施例的上述方案，相对于现有技术而言，主要具有如下优点：1)系统仅采用一块曲面棱镜，通过双次透射实现大色散，有效提高系统光谱分辨率，实现系统的简单化；2)与光栅光谱仪相比，该系统几乎无光能损失，透过率高于98％，信噪比提高了一倍以上；3)系统所使用的曲面棱镜工艺成熟，且加工成本低，易实现加工装调；4)自由曲面反射镜的面型采用一种简单的数理模型，基于Zernike表征函数的多项式，便于实现加工；5)引入自由曲面反射镜，使得系统的子午和弧矢像差得到了有效的校正，6)有效的改善了成像质量，校正由于谱段展宽引起的色差。以上所述，仅为本专利技术较佳的具体实施方式，但本专利技术的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
的技术人员在本专利技术披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本专利技术的保护范围之内。因此，本专利技术的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于自由曲面的光谱成像系统，其特征在于，包括：入射狭缝、曲面棱镜、自由曲面反射镜、平面反射镜与探测器像面；其中，入射狭缝是光谱成像系统的物面，光线由入射狭缝以物方远心入射至曲面棱镜，透射后由自由曲面反射镜反射，再一次经过曲面棱镜透射，最后经平面反射镜反射后，成像于探测器像面。

【技术特征摘要】
1.一种基于自由曲面的光谱成像系统，其特征在于，包括：入射狭缝、曲面棱镜、自由曲面反射镜、平面反射镜与探测器像面；其中，入射狭缝是光谱成像系统的物面，光线由入射狭缝以物方远心入射至曲面棱镜，透射后由自由曲面反射镜反射，再一次经过曲面棱镜透射，最后经平面反射镜反射后，成像于探测器像面。2.根据权利要求1所述的一种基于自由曲面的光谱成像系统，其特征在于，所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：冯蕾，周锦松，景娟娟，魏立冬，王欣，何晓英，李雅灿，
申请(专利权)人：中国科学院光电研究院，
类型：发明
国别省市：北京;11