一种适用于快照式成像光谱仪的分光成像系统技术方案

本实用新型专利技术涉及一种适用于快照式成像光谱仪的分光成像系统。分光成像系统的物面与像面位于空间中的同一侧；光学元件为共轴、共光路、近似同心结构，按光线入射方向，依次为：前表面为平面的半球透镜，弯向光线入射方向的第一片曲面棱镜，弯向光线入射方向的第二片曲面棱镜，弯向光线入射方向的球面反射镜；系统的孔径光阑设置在球面反射镜上；第一片曲面棱镜的后表面与第二片曲面棱镜的前表面相互胶合，两片棱镜的顶角相对设置，组成双棱镜分光结构。本实用新型专利技术提供的分光成像系统具有共光路结构，能有效提升系统的色散能力，具有高保真、大视场、高光谱分辨率、光能利用率高、结构紧凑等特点。等特点。等特点。

【技术实现步骤摘要】
一种适用于快照式成像光谱仪的分光成像系统


[0001]本技术涉及成像光谱仪的分光成像系统，具体涉及一种快照式分光成像系统。

技术介绍

[0002]分光元件作为快照式成像光谱仪的核心部分，决定了系统的成像性能及光谱分辨率。现有技术中，常用的分光元件有光栅、棱镜、滤光片等，光栅分光存在严重光谱叠级问题，限制系统的工作波段及视场；滤光片分光型成像光谱仪的光谱分辨率较低。参见文献“Microlens array snapshot hyperspectral microscopy system for the biomedical domain”（Applied Optics，Vol.60，No.7，2021），报道了一种基于棱镜
‑
光栅组合分光的透射式快照式高光谱成像系统，通过对双高斯初始结构的复杂化设计，共使用六片球面透镜组成系统的准直部分和六片球面透镜组成系统的再聚焦部分，实现可见光波段及高光谱成像；但系统存在以下不足：系统采用棱镜与平面光栅实现分光，光能量利用率低，存在光谱叠级问题，且引入光谱畸变严重，影响系统的空间分辨率与光谱分辨率；系统准直部分与再聚焦部分采用双高斯结构设计，引入镜片数量较多，设计难度大，难以实现大数值孔径。

技术实现思路

[0003]本技术针对现有技术存在的不足，提供一种视场大、光谱分辨率高、成像质量好、结构简单紧凑、易于加工装调的快照式分光成像系统。
[0004]实现本技术专利技术目的的技术方案是：提供一种大视场高保真快照式分光成像系统，分光成像系统的物面与像面位于空间中的同一侧；光学元件为共轴、共光路、近似同心结构，按光线入射方向，依次为：前表面为平面的半球透镜，弯向光线入射方向的第一片曲面棱镜，弯向光线入射方向的第二片曲面棱镜，弯向光线入射方向的球面反射镜；系统的孔径光阑设置在球面反射镜上；第一片曲面棱镜的后表面与第二片曲面棱镜的前表面相互胶合，两片棱镜的顶角相对设置，组成双棱镜分光结构。
[0005]本技术技术方案所述的半球透镜、第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜为球面折射透镜；半球透镜的后表面、第一片曲面棱镜的前表面和后表面、第二片曲面棱镜的后表面，它们的曲率半径依次为R
22
、R
31
、R
32
、R
42
，以mm为长度单位，满足条件：57≤R
22
≤63、163≤R
31
≤168、183≤R
32
≤188、200≤R
42
≤206。第一片曲面棱镜的折射率为n3，阿贝数为v3，满足条件：1.70≤n3≤1.85；第二片曲面棱镜的折射率为n4，阿贝数为v4，满足条件：1.85≤n4≤1.97，20≤v4≤23。
[0006]本技术提供的一种大视场高保真快照式分光成像系统，它的物方数值孔径NA的取值范围为0.17≤NA≤0.22，筒长L范围为250mm≤L≤310mm。
[0007]本技术提供的快照式分光成像系统采用共轴同心设计，可有效提升系统光谱畸变的校正能力；两片曲面棱镜的顶角相对设置，且第一片曲面棱镜的后表面与第二片曲面棱镜的前表面相互胶合，同时对光线进行分光和成像，提升系统光能量利用率，增大系统
视场，有效提升系统的集光能力；两片棱镜选用不同的玻璃材料，第一片曲面棱镜为低折射率、高阿贝数的材料，第二片曲面棱镜为高折射率、低阿贝数的材料，系统光谱畸变较小，可实现大视场、高保真的分光成像；同时，系统采用了共光路结构，提升系统的分光能力，结构紧凑。
[0008]与现有技术相比，本技术的有益效果在于：
[0009]1.本技术提供的分光成像系统，仅用两片材料不同的曲面棱镜构成系统分光部分，采用共轴同心共光路结构，提升系统光能量利用率及分光能力，具备结构紧凑、易于加工装调、稳定性强的特点。
[0010]2.本技术结合同心光学系统和曲面棱镜的优势，数值孔径大、视场大、入射光通量高，三片折射透镜和两片曲面棱镜的表面面型均为球面，降低镜头加工难度和成本，结构紧凑，易于装调，具有实际应用价值。
附图说明
[0011]图1是本技术实施例提供的分光成像系统的结构示意图；
[0012]图中，1.物面；2.半球透镜；22.半球透镜的后表面；3.第一片曲面棱镜；31.第一片曲面棱镜的前表面；32.第一片曲面棱镜的后表面（第二片曲面棱镜的前表面）；4.第二片曲面棱镜；42.第二片曲面棱镜的后表面；5.球面反射镜；6.像面；
[0013]图2是本技术实施例提供的分光成像系统的光线追迹点列图；
[0014]图3是本技术实施例提供的分光成像系统的传递函数MTF曲线图；
[0015]图4是本技术实施例提供的分光成像系统的圈入能量集中度曲线图。
具体实施方案
[0016]下面结合附图和实施例对本技术技术方案作进一步的阐述。
[0017]实施例1：
[0018]本实施例提供一种大视场高保真快照式分光成像系统，物方数值孔径NA=0.20，物方视场为28
×
8mm，工作波段为400～760nm。
[0019]参见附图1，为本实施例提供的分光成像系统的结构示意图，分光成像系统由一片半球透镜、两片曲面棱镜和一片球面反射镜组成共轴、共光路、近似同心结构，其中，物面1与像面6位于空间中同一侧，按光线入射方向，光学元件依次为半球透镜2、第一片曲面棱镜3、第二片曲面棱镜4和球面反射镜5；其中，半球透镜2的前表面为平面，第一片曲面棱镜3弯向光线入射方向，第二片曲面棱镜4弯向光线入射方向，球面反射镜5弯向光线入射方向。第一片曲面棱镜的后表面与第二片曲面棱镜的前表面相互胶合，两片棱镜的顶角相对设置，组成双棱镜分光结构。
[0020]本实施例中，半球透镜2、第一片曲面棱镜3和第二片曲面棱镜4为球面折射透镜，按光线入射方向，按光线入射方向，半球透镜的后表面22、第一片曲面棱镜3的前表面31和后表面（第二片曲面棱镜的前表面）32、第二片曲面棱镜4的后表面42，它们的曲率半径依次为R
22
、R
31
、R
32
、R
42
，以mm为长度单位，满足条件：57≤R
22
≤63、163≤R
31
≤168、183≤R
32
≤188、200≤R
42
≤206。
[0021]第一片曲面棱镜3的折射率为n3，阿贝数为v3，满足条件：1.70≤n3≤1.85，第二片
曲面棱镜4的折射率为n4，阿贝数为v4，满足条件：1.85≤n4≤1.97，20≤v4≤23。
[0022]本实施例提供的分光成像系统工作时，物面处出射的复色光线入射至半球透镜，将大孔径光线进行会聚后入射到第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜，复色发散光经两片曲面棱镜分光后，将不同波长的单本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种适用于快照式成像光谱仪的分光成像系统，其特征在于：分光成像系统的物面（1）与像面（6）位于空间中的同一侧；光学元件为共轴、共光路、近似同心结构，按光线入射方向，依次为：前表面为平面的半球透镜（2），弯向光线入射方向的第一片曲面棱镜（3），弯向光线入射方向的第二片曲面棱镜（4），弯向光线入射方向的球面反射镜（5）；系统的孔径光阑设置在球面反射镜（5）上；第一片曲面棱镜的后表面与第二片曲面棱镜的前表面相互胶合，两片棱镜的顶角相对设置，组成双棱镜分光结构。2.根据权利要求1所述的一种适用于快照式成像光谱仪的分光成像系统，其特征在于：半球透镜（2）、第一片曲面棱镜（3）和第二片曲面棱镜（4）为球面折射透镜；半球透镜的后表面（22）、第一片曲面棱镜（3）的前表面（31）和后表面（32）、第二片曲面棱镜（4）的后表面（42），它们的曲率半径依次为R
22
、R<...

【专利技术属性】
技术研发人员：季轶群，赵世家，谭奋利，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：新型
国别省市：