本发明专利技术涉及一种用于光学成像和精细光谱分析的光学系统，特别涉及一种集成像与分光技术于一体的光谱成像系统，它由主镜、凸球面全息光栅和三镜三个共轴同心的球面光学元件构成，采用全反射对称结构，几何像差小，且物、像方均满足远心光路，接收器件表面照度均匀。为保证系统的同轴度、同心性和长时期使用后的稳定性，本发明专利技术采用将光学系统进行模块化设计，系统由两块相同材料的普通玻璃胶合而成，大大降低了产品成本，提供了一种像质好、加工装调简单、体积小、稳定性好、光谱分辨率高、成本低且便于携带的适用于航天、生物医学领域或验钞机等民用的超光谱成像仪。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于光学成像和精细光谱分析的光学系统，特别涉及一种 集成像与分光技术于一体的成像光谱仪。
技术介绍
人们对光谱仪器的研究已经有了近一百五十年的历史，从1859年基尔霍 夫和本生创造第一台摄谱仪至今，光谱仪器的发展大致经历了三个阶段。第一 台光谱仪器的诞生是光谱仪器研制第一阶段的开始，这个阶段主要是对光谱进 行定性分析，主要工作是研制了后来在实验室光谱仪器中使用的色散系统的基 本型式。第二阶段的研制始于19世纪30年代，开始将实验室内积累起来的经 验运用于工业部门和地质勘探之中，创造出了在实验室、工厂和野外条件下光 谱定量分析用的成批生产的光谱仪器和装置。第三阶段光谱仪器的特点是测量 自动化和按照专用要求的最优化，对仪器每个部件的要求，从照明部分开始到 自动记录器为止，要选择得使整台仪器与所提出的任务很好适应，同时根据信 息理论进行光谱仪器特性的计算。近年来，随着各国经济、军事实力的增强，人们越来越关注和重视对航天、 生物以及医学等领域的研究，光谱成像是随之发展起来的一种新型光学成像系 统。它可以用来获取包括两维空间信息和一维光谱信息的三维图像。对于探测 目标结构及其变化，具有特殊的识别能力，适用于军事、民用、陆地、海洋等 卫星，可以为不同用户提供大量的遥感图像。对于军事应用具有特别重要的意 义，能用来识别伪装、检测化武、潜艇及水下危险物体探测等；也可用于环境、 生态、作物、灭害、地质、资源、大气等的分析、分类、预报评估等。超光谱成像系统不仅在航天、军事等领域起着必不可少的重要作用，在许 多重要的民用领域内的应用也正在不断扩展。而目前已有的报导中所介绍的超 光谱成像系统， 一般都采用离轴的反射系统，这类系统除了对反射镜的面形加 工、镀膜要求高之外，最关键的是整个系统的装调和测试过程非常复杂，每一块反射镜的微小倾斜和偏心都会给系统的像质带来严重的影响。从设计到加工 至出一个新产品，需要相当长的一个周期，价格也很昂贵，这显然不适合军事 上的紧急需求，也不适合民用领域。民用领域一般需求量大、客户提出需求后 希望很快出产品。因此，研制像质好、易加工、体积小、稳定性髙、光谱分辨 率高、成本低的成像光谱仪是十分迫切和具有广泛的应用前景的。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种像质好、易加工、体积小、稳定性高、光谱分辨率高、成本低的超光谱成像系统。为达到上述目的，本专利技术采用的技术方案是 一种微型超光谱成像系统，它由主镜、光栅和三镜组成，其中，主镜和三镜为球面反射镜，光栅为凸球面 直线槽全息光栅，它们共轴同心；按光线入射方向，相对于镜头焦距归一化时 的取值范围为-0. 25《R2《-0. 2、 -0. 15《R3《-0. 1和-0. 25《R4《-0. 2，其 中，曲率半径R2、 R3、 R4依次为主镜、光栅和三镜；系统满足物、像方远心。所述的主镜与三镜的曲率半径相同，光栅的曲率半径为它们的二分之一。所述的光栅表面最高点位于光轴上，它与主镜、三镜顶点间的距离为它们 曲率半径的二分之一。所述的光栅常数为每毫米400 450线对。所述的主镜、光栅和三镜集成于两块胶合而成的光学玻璃基底上，其中， 前一块光学玻璃基底和后一块光学玻璃基底的后表面均为凸球面，后一块光学 玻璃基底的前表面为凹球面；主镜位于后一块光学玻璃基底的后表面的上方， 三镜位于后一块光学玻璃基底的后表面的下方，主镜和三镜均由后一块光学玻 璃基底的后表面相应部位镀高反射膜构成；光栅位于前一块光学玻璃基底后表 面的凸球面中心部位，它的表面最高点位于光轴上。所述的光学玻璃基底的折射率n的取值范围为l《n《2。由于上述技术方案运用，本专利技术与现有技术相比具有的优点是 成像光谱系统重量体积超轻小，符合航天用有效载荷轻小的要求；用普通 光学玻璃对系统进行模块化设计，使得系统稳定性得到了很好的保证，同时， 其生产成本也大大降低，适合于批量生产，适用于如验钞机等对成像光谱分辨 技术要求较高的设备；系统采用全反射同心对称结构，几何像差小，且物、像方均满足远心光路，接收器件表面照度均匀。附图说明图1是本专利技术实施例一所述的光学系统的结构示意图；图2是本专利技术实施例一所述的光学系统的光路示意图；图3是本专利技术实施例一所述的光学系统的光线追迹点列图；图4是本专利技术实施例一所述的光学系统的畸变曲线图；图5是本专利技术实施例一所述的光学系统的场曲/像散曲线图；图6本专利技术实施例一所述的光学系统能量集中度曲线图；图7是本专利技术实施例一所述的光学系统在接收器件表面上的相对辐照度 分布曲线图；图8是本专利技术实施例一所述的光学系统调制传递函数曲线。 其中l为入射狭缝；2为主镜；3为光栅；4为三镜；5为接收器平面 (像平面)；6为两块光学玻璃基底的胶合面；7为光学玻璃基底的后表面；8 为光轴(即对称轴)；9为入射光线方向主光线；10、 11和12为不同波长的成 像光束像方主光线；13为前一块光学玻璃基底；14为后一块光学玻璃基底； O点为主镜、光栅及三镜的曲率中心。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术的具体实施方案作进一步的阐述。 实施例一图1是本实施例光学系统的结构示意图，系统的F数F/No — 2.6，工作波 长在可见光范围内。参见附图1，光谱成像系统由主镜2、光栅3和三镜4组成，为保证系统 的同轴度、同心性和长时期使用后的稳定性，本专利技术采用将光学系统进行模块 化设计，系统集成于两块胶合而成的光学玻璃基底13和14上，6为两块光学 玻璃基底的胶合面，其中，前一块光学玻璃基底13和后一块光学玻璃基底14 的后表面均为凸球面，玻璃基底14的前表面为凹球面；入射狭缝1为一个1500 X100微米的矩形，位于玻璃基底13的前表面上方，接收器平面(像平面)5位于玻璃基底的前表面下方，主镜和三镜由玻璃基底14的后表面7的上、下 相应部位镀高反射膜构成，光栅位于玻璃基底13的凸球面中心部位，它的表 面最高点位于光轴8上，且与主镜、三镜共轴同心，曲率中心为0点，整个装 置为一个尺寸小于30X30X30mm3的立方体。光谱成像系统中，主镜和三镜为球面反射镜，光栅为凸球面直线槽全息光 栅，该光学系统的有关参数如下焦距105mm，主镜与三镜的曲率半径相同， 光栅的曲率半径为它们的二分之一，即主镜曲率半径为-25mm，光栅曲率半径 为-12.5ram,三镜曲率半径为-25mm;相对于镜头焦距归 一化时的曲率半径依次 分别为R2 =-0.238， R3=-0.119， R4 =-0.238;四个间隔按顺序分别为狭缝与 主镜的间距25mm，主镜与光栅的间距-12. 5mm，光栅与三镜的间隔12. 5mm，三 镜与像面的间隔-25mm。光栅常数为4001p/mm，两块玻璃基底的材料折射率为 1. 5。图2为本实施例光学系统的光路示意图，它的光路设计基于Offner中继 系统，入射光线方向主光线9平行于光轴8，形成物方远心；不同波长的成像 光束像方主光线10、 11和12均平行于光轴，形成像方远心，接收器平面(像 平面)5上照度分布均匀。图中，入射狭缝1是由光谱系统的前置系统对物体 所成的像(前置系统未具体给出)，物体在狭缝处的像经过光谱系统，最后以 l:l成到接收器平面上，不同波长的像均本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种微型超光谱成像系统，其特征在于：它由主镜、光栅和三镜组成，其中，主镜和三镜为球面反射镜，光栅为凸球面直线槽全息光栅，它们共轴同心；按光线入射方向，相对于镜头焦距归一化时的取值范围为：－０．２５≤Ｒ↓［２］≤－０．２、－０．１５≤Ｒ↓［３］≤－０．１和－０．２５≤Ｒ↓［４］≤－０．２，其中，曲率半径Ｒ↓［２］、Ｒ↓［３］、Ｒ↓［４］依次为主镜、光栅和三镜；系统满足物、像方远心。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：季轶群，沈为民，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。