一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头技术方案

本发明专利技术提出了一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头，沿入射光线传播方向，依次同轴设置孔径光阑、平板玻璃、第一双凸正透镜、第一弯月负透镜、第二弯月负透镜、第一弯月正透镜、第三弯月负透镜、第二双凸正透镜、第二弯月正透镜、第三弯月正透镜、第四弯月负透镜和第四弯月正透镜。本发明专利技术的准直镜头F数为1.75，孔径满足收集微反射镜阵列反射光线的要求；前后截距满足IMS系统装配距离的要求，相较使用中继镜的装配方案，极大缩短光路，使得系统结构紧凑；通过对初始结构和玻璃材料的优化，对系统像差进行了优化和均衡，使孔径阵列投影位置接近设计值，保证孔径阵列和色散成像模块的耦合效率；选用环保玻璃材料，降低加工装配难度，成本低。成本低。成本低。

【技术实现步骤摘要】
一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头


[0001]本专利技术涉及光学设计
,更具体的说是涉及一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头。

技术介绍

[0002]基于微反射镜阵列的快照式光谱成像系统(Image Mapping Spectrometer,IMS)可以在单次曝光时间内获取目标景物的三维图谱信息(x,y,λ)。IMS技术在探测时变目标方面具有显著优势，在生物成像、医学诊断、遥感探测等领域应用广泛。
[0003]目标经IMS系统前置成像镜头一次成像于微反射镜阵列，微反射镜阵列由多个具有不同二维空间指向角的狭长镜面组成，能够将一次像分割并投影到不同方向。孔径光阑经前置镜和准直镜成像于准直镜的后焦面，在微反射镜阵列的调制下，形成与各空间指向角相对应的孔径阵列。反射光线经准直镜准直后，入射到相应子孔径进行分光色散，经过成像镜阵列二次成像，最终在探测器获得重新排列的目标图谱信息。在成像过程中，准直镜头需要具备以下条件：1)较大的孔径以收集微反射镜阵列的反射光线；2)较长的前后截距以保证与前端微反射镜阵列以及后端色散成像模块有足够的机械距离，便于系统装配；3)控制像差使得孔径阵列的投影位置达到设计值，以保证孔径阵列和色散成像模块的耦合效率，提高成像质量。
[0004]一般的成像镜头为了保证与感光元件的耦合，通常只对后截距做出限制，而前截距较小。因此，目前现有的成像镜头难以同时满足大孔径、长截距和小像差的条件。针对IMS系统的解决方案包括使用扩束镜以降低对准直镜孔径的要求，或者使用1:1中继镜延长光路，以满足装配需求。但是，以上解决方案引入了额外的光学镜组，增加了装配难度，降低了光通量。

技术实现思路

[0005]有鉴于此，本专利技术目的在于提供一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头，可以同时满足系统对成像质量和装配距离的需求。
[0006]为实现上述目的，本专利技术提供如下技术方案：
[0007]一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头，其特征在于，该准直镜头沿入射光线传播方向，依次同轴设置：孔径光阑、平板玻璃、第一双凸正透镜、第一弯月负透镜、第二弯月负透镜、第一弯月正透镜、第三弯月负透镜、第二双凸正透镜、第二弯月正透镜、第三弯月正透镜、第四弯月负透镜和第四弯月正透镜；其中，所述第三弯月负透镜和第二双凸正透镜组成第一个双胶合透镜；所述第三弯月正透镜和第四弯月负透镜组成第二个双胶合透镜。
[0008]优选的，在上述一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头中，所述准直镜头的焦距为50mm，F数≤1.77。
[0009]优选的，在上述一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头中，所述准直镜头
的前截距等于第一双凸正透镜前表面与后续色散成像模块的距离，该距离不少于15mm。
[0010]优选的，在上述一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头中，所述准直镜头的后截距等于第四弯月正透镜后表面与微反射镜阵列的距离，该距离不少于35mm。
[0011]经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：
[0012](1)本专利技术提供的一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头焦距为50mm，F数为1.75，孔径满足了收集微反射镜阵列反射光线的要求。
[0013](2)本专利技术提供的准直镜头前截距为17.5mm，后截距为39.36mm，光学总长为121.24mm，满足了IMS系统装配距离的要求，相较于使用中继镜的装配方案，极大缩短光路，使得系统结构紧凑。
[0014](3)本专利技术提供的准直镜头通过对初始结构和玻璃材料的优化，对系统像差进行了优化和均衡。所述准直镜头全视场角为12.6
°
，最大视场角的畸变不超过0.8％，使得孔径阵列投影位置接近设计值，保证了孔径阵列和色散成像模块的耦合效率。
[0015](4)本专利技术提供的准直镜头采用10片球面镜片，选用环保的玻璃材料，降低了加工和装配难度，成本较低。
附图说明
[0016]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术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实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。
[0017]图1附图为本专利技术的IMS光谱成像系统孔径阵列投影示意图；
[0018]图2附图为本专利技术的结构图；
[0019]图3附图为本专利技术的调制传递函数(MTF)曲线图；
[0020]图4附图为本专利技术的场曲及畸变图；
[0021]图5附图为本专利技术的色焦移曲线；
[0022]图6附图为本专利技术的孔径阵列投影分布。
具体实施方式
[0023]下面将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。基于本专利技术中的实施例，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，都属于本专利技术保护的范围。
[0024]请参阅附图1
‑
6，为本专利技术公开的一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头，具体包括：孔径光阑STOP、平板玻璃0、第一双凸正透镜1、第一弯月负透镜2、第二弯月负透镜3、第一弯月正透镜4、第三弯月负透镜5、第二双凸正透镜6、第二弯月正透镜7、第三弯月正透镜8、第四弯月负透镜9和第四弯月正透镜10；其中，所述第三弯月负透镜和第二双凸正透镜组成第一个双胶合透镜；所述第三弯月正透镜和第四弯月负透镜组成第二个双胶合透镜。
[0025]为了进一步优化上述技术方案，所述准直镜头的焦距为50mm，F数≤1.77。
[0026]为了进一步优化上述技术方案，所述准直镜头的前截距等于第一双凸正透镜1前表面与后续色散成像模块的距离，该距离不少于15mm。
[0027]为了进一步优化上述技术方案，所述准直镜头的后截距等于第四弯月正透镜10后表面与微反射镜阵列的距离，该距离不少于35mm。
[0028]为了便于理解本专利技术，下面结合附图对本专利技术具体实施方式进行详细说明。
[0029]首先，根据IMS系统参数确定准直镜的孔径参数。图1(a)为孔径阵列投影的等效光路图，如图中所示，孔径光阑经前置镜和准直镜后成像于准直镜后焦面，形成子孔径。微反射镜阵列各镜面的二维空间指向角为(α
m,n
,β
m,n
)，对应的反射光线空间指向角为二者满足以下关系：
[0030][0031]其中，θ为微反射镜阵列的整体偏转角。
[0032]根据反射光线空间指向角和准直镜焦距f2，可以确定每个子孔径的中心位置坐标(x
m
,y
m
)，见下式：
[0033][0034]准直镜出瞳面的孔径阵列排布如图1(b)所示，根据子孔径中心位置坐标(x
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种大孔径长截距的IMS光谱成像系统准直镜头，其特征在于，该准直镜头沿入射光线传播方向，依次同轴设置：孔径光阑、平板玻璃、第一双凸正透镜、第一弯月负透镜、第二弯月负透镜、第一弯月正透镜、第三弯月负透镜、第二双凸正透镜、第二弯月正透镜、第三弯月正透镜、第四弯月负透镜和第四弯月正透镜；其中，所述第三弯月负透镜和第二双凸正透镜组成第一个双胶合透镜；所述第三弯月正透镜和第四弯月负透镜组成第二个双胶合透镜。2.根据权利要求1所述的一种大孔径长截距...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁艳，苏丽娟，刘安琪，蒋一，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：