光学系统及其设计方法技术方案

公开了一种光学系统及其设计方法，其包括：光谱芯片和被保持于所述光谱芯片的感测路径上的光学组件。所述光谱芯片，包括光电探测层和位于所述光电探测层的感测路径上的光调制层，所述光电探测层从入射的光信号获得经过调制层调制的光信号。所述光学组件被配置为接收来自被摄目标的光信号并将所述光信号导引至所述光谱芯片，其中，所述光学组件使得被导引至所述光谱芯片各个位置的光信号具有固定角度的主光线夹角以及预定角度的收光光锥角，所述预定角度小于等于45

【技术实现步骤摘要】
光学系统及其设计方法


[0001]本申请涉及光谱芯片，尤其涉及包括光谱芯片的光学系统及其设计方法。

技术介绍

[0002]光与物质发生相互作用，如吸收、散射、荧光、拉曼等，会产生特定光谱，而每种物质的光谱，都是独一无二的。因此，光谱信息可以说是万物的“指纹”。
[0003]光谱仪能够直接检测物质的光谱信息，得到被测目标的存在状况与物质成分，是材料表征、化学分析等领域重要的测试仪器之一。从技术发展来看，微型光谱仪可分为四类：色散型、窄带滤波型、傅里叶变换型和计算重建型。
[0004]色散光谱仪一般由一个或多个衍射光栅、一段光程以及一个光探测器阵列组成，其中，来自被测目标的光信号在通过入射狭缝被准直照射在该衍射光栅上，衍射光栅将光谱成分分散到不同的方向，最后凹面镜将分散的光谱成分聚焦到光探测器阵列上以得到光谱分布。这种光谱仪拥有超高分辨率、宽光谱范围和成熟的技术，但色散型光谱仪依赖于其笨重的色散元件、长光程等，难以实现尺寸的压缩。
[0005]窄带滤波型光谱仪能够选择性地传输特定波长的光，实现对光谱的检测，其器件平面化且不需要长光程，在系统小型化方面具有一些优势。在窄带滤波型光谱仪中，用于进行波长选择的滤光片为带通滤光片。光谱分辨率越高，就必须使用通带越窄和越多的滤光片，这增加了整个系统的体积和复杂度。同时，当光谱响应曲线变窄时，光通量下降，导致信噪比降低。
[0006]傅里叶变换型光谱仪通常用于红外吸收或发射光谱的测量，通过对探测器得到的干涉图进行傅里叶变换得到待测光谱，具有信噪比高、尺寸小、成本低的优势。但是，傅里叶变化型光谱仪需要依赖外部摄像机来对干涉图进行散射成像，不利于进一步小型化。
[0007]随着计算机技术的发展，最近几年出现了一种新的光谱仪类型：计算重建型光谱仪，其通过计算来近似甚至重构入射光的光谱。计算重构型光谱仪可以相对较佳地解决因小型化而导致检测性能下降的问题。
[0008]由于计算重构型光谱仪或计算重构型光谱成像装置属于新兴技术，在实际应用中，计算重构型光源仪或计算重构型光谱成像装置遇到诸多技术问题。发现并解决这些技术问题，是推进计算重构型光谱仪和光谱成像装置成熟化的必经之路。

技术实现思路

[0009]本申请的一优势在于提供一种光学系统及其设计方法，其中，所述光学系统包括光谱芯片和被保持于所述光谱芯片的感测路径上的光学组件，其中，所述光学组件具有使得被导引至所述光谱芯片的每一位置的光信号的主光角为固定值和每一位置的收光光锥角为预定值的结构配置，这样，通过具有特定结构配置的所述光学组件，控制所述光谱芯片的每个像素点的收光光锥角为预定值且在预设范围内和/或每个像素点的主光角为固定值，以减小所述光谱芯片的光谱恢复误差。
[0010]通过下面的描述，本申请的其它优势和特征将会变得显而易见，并可以通过权利要求书中特别指出的手段和组合得到实现。
[0011]为实现上述至少一优势，本申请提供一种光学系统，其包括：
[0012]光谱芯片，包括光电探测层和位于所述光电探测层的感测路径上的光调制层，所述光电探测层被配置为从入射的光信号获得经过所述光调制层调制的光信号；以及
[0013]被保持于所述光谱芯片的感测路径上的光学组件，所述光学组件被配置为接收来自被摄目标的光信号并将所述光信号导引至所述光谱芯片；
[0014]其中，所述光学组件被配置为使得被导引至所述光谱芯片的每一位置的光信号的主光角为固定值和每一位置的收光光锥角为预定值。
[0015]在根据本申请的光学系统中，所述预定值小于等于45
°
。
[0016]在根据本申请的光学系统中，所述预定值小于等于35
°
。
[0017]在根据本申请的光学系统中，所述预定值小于等于10
°
。
[0018]在根据本申请的光学系统中，所述光学组件包括透镜组，所述透镜组的F数大于等于1.8。
[0019]在根据本申请的光学系统中，所述透镜组的F数大于等于2.5。
[0020]在根据本申请的光学系统中，所述光学组件进一步包括用于调整所述透镜组的F数的光阑。
[0021]在根据本申请的光学系统中，所述透镜组具有视场角θ，像高h，其中，所述光学系统满足如下关系式：
[0022]L/h*tan(θ/2)＝(X/2)/Y，其中，X表示所述光学系统的探测范围的边长，Y表示所述光学系统与被摄目标之间的距离，L为所述光谱芯片的感测有效区的边长。
[0023]在根据本申请的光学系统中，X小于等于6cm，Y小于等于10cm，其中，当X小于等于6cm，Y小于等于10cm时，所述光谱芯片适于被配置为采集来自被摄目标的光信号中的光频信息。
[0024]在根据本申请的光学系统中，所述光学组件包括匀光模块和位于所述匀光模块的出光路径上的准直单元，所述匀光模块被配置为均匀化来自被摄目标的光信号，所述准直单元被配置为对经均匀化后的光信号进行准直。
[0025]在根据本申请的光学系统中，所述匀光模块包括散光元件和位于所述散光元件的出光路径上的光阑，所述光阑具有通光孔，所述通光孔的尺寸为1mm至10mm。
[0026]在根据本申请的光学系统中，所述匀光模块包括积分球，所述积分球具有入光口和出光口，所述出光口的尺寸小于所述入光口的尺寸。
[0027]在根据本申请的光学系统中，所述匀光模块包括光阑、位于所述光阑的出光路径上的散射元件、位于所述散射元件的出光路径上的匀光棒。
[0028]在根据本申请的光学系统中，所述匀光模块进一步包括位于所述光阑的入光路径上的至少一光学透镜。
[0029]在根据本申请的光学系统中，所述光学组件包括远心镜头。
[0030]根据本申请的另一方面，还提供了一种光学系统的设计方法，其包括：
[0031]获取光谱芯片的光电探测层的转化矩阵，所述光电探测层基于所述转化矩阵从入射的光信号获得探测到的光信号，其中，所述光谱芯片进一步包括位于所述光电探测层的
感测路径上的光调制层；以及
[0032]基于所述转化矩阵的数值变化确定光学组件的结构配置，所述结构配置用于使得被导引至所述光谱芯片的每一位置的光信号的主光角为固定值和每一位置的收光光锥角为预定值，其中，所述光学组件被保持于所述光谱芯片的感测路径上，用于接收来自被摄目标的光信号并将所述光信号导引至所述光谱芯片。
[0033]在根据本申请的光学系统的设计方法中，所述预定值小于等于45
°
。
[0034]在根据本申请的光学系统的设计方法中，所述预定值小于等于35
°
。
[0035]在根据本申请的光学系统的设计方法中，所述预定值小于等于10
°
。
[0036]在根据本申请的光学系统的设计方法中，所述光学组件包括透镜组，所述透镜组的F数大于等于1.8。
[0037]在根据本申请的光学系统的设计方法本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种光学系统，其特征在于，包括：光谱芯片，包括光电探测层和位于所述光电探测层的感测路径上的光调制层，所述光电探测层被配置为获得经过所述光调制层调制的光信号；以及被保持于所述光谱芯片的感测路径上的光学组件，所述光学组件被配置为接收来自被摄目标的光信号并将所述光信号导引至所述光谱芯片；其中，所述光学组件被配置为使得被导引至所述光谱芯片的每一位置的光信号的主光角为固定值和每一位置的收光光锥角为预定值。2.根据权利要求1所述的光学系统，其中，所述预定值小于等于45
°
。3.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述预定值小于等于35
°
。4.根据权利要求3所述的光学系统，其中，所述预定值小于等于10
°
。5.根据权利要求2所述的光学系统，其中，所述光学组件包括透镜组，所述透镜组的F数大于等于1.8。6.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述透镜组的F数大于等于2.5。7.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述光学组件进一步包括用于调整所述透镜组的F数的光阑。8.根据权利要求5所述的光学系统，其中，所述透镜组具有视场角θ，像高h，其中，所述光学系统满足如下关系式：L/h*tan(θ/2)＝(X/2)/Y，其中，X表示所述光学系统的探测范围的边长，Y表示所述光学系统与被摄目标之间的距离，L为所述光谱芯片的感测有效区的边长。9.根据权利要求8所述的光学系统，其中，X小于等于6cm，Y小于等于10cm，其中，当X小于等于6cm，Y小于等于10cm时，所述光谱芯片适于被配置为采集来自被摄目标的光信号中的光频信息。10.根据权利要求4所述的光学系统，其中，所述光学组件包括匀光模块和位于所述匀光模块的出光路径上的准直单元，所述匀光模块被配置为均匀化来自被摄目标的光信号，所述准直单元被配置为对经均匀化后的光信号进行准直。11.根据权利要求10所述的光学系统，其中，所述匀光模块包括散光元件和位于所述散光元件的出光路径上的光阑，所述光阑具有通光孔，所述通光孔的尺寸为1mm至10mm。1...

【专利技术属性】
技术研发人员：张鸿，王宇，黄志雷，
申请(专利权)人：上海与光彩芯科技有限公司，
类型：发明
国别省市：