CN103954358A - 一种成像光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种成像光谱仪，包括第一Fery棱镜、第一主反射镜、次反射镜、第二Fery棱镜、第二主反射镜：经过狭缝进入的光经所述第一Fery棱镜透射后到达所述第一主反射镜，经所述第一主反射镜反射后到达所述第一Fery棱镜，由所述第一Fery棱镜透射后到达所述次反射镜，由所述次反射镜反射后到达所述第二Fery棱镜，由所述第二Fery棱镜透射后到达所述第二主反射镜，由所述第二主反射镜反射后到达所述第二Fery棱镜，由所述第二Fery棱镜透射后到达成像面实现成像。基于两次通过同一个Fery棱镜进行色散，减小系统的体积和重量，获得大视场，大的色散宽度。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种成像光谱仪。
背景技术
色散型成像光谱仪包括棱镜色散型和光栅色散型两种。其中棱镜色散型主要利用不同波长的光通过棱镜的折射率不同，使得不同波长光色散开不同的角度。光栅色散型主要使用光栅作为色散元件，光栅是在高精度平面或者曲面上刻划的一系列刻痕所形成的元件。色散型光谱仪通常采用等腰棱镜或者复合棱镜，会引起较大的谱线弯曲和谱带弯曲，给后期数据处理带来一定影响，对于大视场系统采用此方案谱线弯曲很大，且系统体积会较大。光栅型光谱仪受衍射效率的限制，系统进入探测器的能量较少，系统的信噪比较低，且光谱级次重叠，鬼像多等缺点。
因此，上述两种常规的色散方案不能满足光谱仪大视场，小型化，轻量化的发展要求。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种成像光谱仪，实现大视场，大的色散宽度，小型化，轻量化。
本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：
一种成像光谱仪，包括第一Fery棱镜、第一主反射镜、次反射镜、第二Fery棱镜、第二主反射镜：
经过狭缝进入的光经所述第一Fery棱镜透射后到达所述第一主反射镜，经所述第一主反射镜反射后到达所述第一Fery棱镜，由所述第一Fery棱镜透射后到达所述次反射镜，由所述次反射镜反射后到达所述第二Fery棱镜，由所述第二Fery棱镜透射后到达所述第二主反射镜，由所述第二主反射镜反射后到达所述第二Fery棱镜，由所述第二Fery棱镜透射后到达成像面实现成像。
由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，基于两次通过同一个Fery棱镜进行色散，有效减小系统的体积和重量，且能获得大视场，实现大的色散宽度，满足系统高分辨率的要求，而且，采用Fery棱镜色散，可以较好的校正了谱线弯曲和谱带弯曲。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，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发明的一些实施例，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为本发明实施例光谱仪所有波段在最大视场处的光学结构示意图。
图2为本发明实施例光谱仪在950nm谱段的光学传递函数曲线图。
图3为本发明实施例光谱仪在1200nm谱段的光学传递函数曲线图。
图4为本发明实施例光谱仪在1400nm谱段的光学传递函数曲线图。
图5为本发明实施例光谱仪在1800nm谱段的光学传递函数曲线图。
图6为本发明实施例光谱仪在2200nm谱段的光学传递函数曲线图。
图7为本发明实施例光谱仪在2500nm谱段的光学传递函数曲线图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，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，都属于本发明的保护范围。
如图1所示，本发明实施例提供一种成像光谱仪，包括第一Fery棱镜11、第一主反射镜12、次反射镜13、第二Fery棱镜14、第二主反射镜15：
经过狭缝10进入的光经第一Fery棱镜11透射后到达第一主反射镜12，经第一主反射镜12反射后到达第一Fery棱镜11，由第一Fery棱镜11透射后到达次反射镜13，由次反射镜13反射后到达第二Fery棱镜14，由第二Fery棱镜14透射后到达第二主反射镜15，由第二主反射镜15反射后到达第二Fery棱镜14，由第二Fery棱镜14透射后到达成像面16实现成像。
由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，基于两次通过同一个Fery棱镜进行色散，有效减小系统的体积和重量，且能获得大视场，实现大的色散宽度，满足系统高分辨率的要求，而且，采用Fery棱镜色散，可以较好的校正了谱线弯曲和谱带弯曲。
具体的，本领域技术人员可以理解，Fery棱镜是指其前后两表面的光轴与整个系统的光轴有一定夹角的棱镜，Fery棱镜的前表面或者后表面与系统光轴的夹角可以称为倾角，倾角越大色散宽度越大。
本发明实施例成像光谱仪中，基于offner成像光谱仪的结构基础，在offner成像光谱仪两臂上分别插入第一Fery棱镜和第二Fery棱镜，具体的：第一Fery棱镜11位于狭缝10和第一主反射镜12之间，第二Fery棱镜14位于成像面16和第二主反射镜15之间，且第一Fery棱镜11和第二Fery棱镜14共同位于次反射镜13和第一主反射镜12、第二主反射镜15之间。
第一Fery棱镜用于将经过狭缝进入的光透射到达第一主反射镜，以及用于将来自第一主反射镜的光透射后到达次反射镜。
第二Fery棱镜用于将来自次反射镜的光透射到达第二主反射镜，以及用于将来自第二主反射镜的光透射后到达成像面。
由于本发明实施例成像光谱仪中两次通过同一个Fery棱镜进行色散，所以在同样的倾角下本发明实施例可以实现两倍的色散宽度，因此，不需要单纯通过增大倾角来得到增大色散宽度，而是可以通过小的倾角便可实现大的色散宽度，同时能有效减小系统的谱线弯曲和谱带弯曲。
本发明实施例成像光谱仪中第一Fery棱镜的倾角和第二Fery棱镜的倾角不同。第一Fery棱镜的倾角和第二Fery棱镜的倾角不作严格限制，第一Fery棱镜的倾角和第二Fery棱镜的倾角不易太大，否则会导致不容易加工，本实施例中第一Fery棱镜的倾角在10度以内，第二Fery棱镜的倾角在10度以内。
进一步的，本发明实施例成像光谱仪，还可以包括光阑，所述光阑位于所述次反射镜上，如中心位置。
本领域技术人员可以理解，光阑是光学系统必须要用的组件，本发明实施例中把次反射镜作为光阑，保证所需要的光线进入系统，在像面成像，挡掉不需要视场的光线，以防其进入像面成像。
本领域技术人员可以理解，成像面为成像光谱仪的像面。
本发明实施例成像光谱仪，还可以包括探测器，本领域技术人员可以理解，成像面16为探测器的探测面，在此不作赘述。
本发明实施例成像光谱仪，所述第一主反射镜、所述第二主反射镜或者所述次反射镜可以为球面反射镜，本领域技术人员可以理解，校正像差很好，保证最后像质。
具体的，如图1所示的本发明实施例成像光谱仪，色散宽度为4mm(毫米)，光谱范围为0.95μm～2.5μm(微米)，物方数值孔径角NA为0.12，为了与前置成像系统匹配，光谱仪系统设计为物方远心光路。
正如图1所示的本发明实施例成像光谱仪，是基于offner成像光谱仪的结构基础，在offner成像光谱仪两臂上分别插入单个Fery棱镜。系统的放大倍率为-1倍，一对Fery棱镜分别放置于结构的两臂上，光阑位于次反射镜上。经过入射狭缝进入系统的光束，光谱仪的狭缝长度为40mm，经第一Fery棱镜透射，再由第一主反射镜反射，后经同一色散棱镜(即第一Fery棱镜)透射，进入次反射镜后，经次反射镜反射，又经第二Fery棱镜透射，再由第二主反射镜反射，最后再经过一次第二Fery棱镜色散成像到像面。
图2-图7是本发明实施例光谱仪的典型波长在全视场的传递函数，其中，纵坐标Modulus of the OTF为MTF调制传递函数值，横坐标Spatial Frequency in cycles per mm为空间频率值，单位为线对数/毫米，此系统截止频率为了21lp/mm。从图2-图7中可看出所有谱段的MTF调制传递函数值均接近衍射极限，都大于0.6以上。
本发明实施例成像光谱仪是一种宽谱段大视场短波红外光谱仪，由入射狭缝、两个牛角镜，三个反射镜和像面组成。在减小体积的同时，实现了大视场大色散宽度，高光谱分辨率，并且减小了谱带弯曲和谱线弯曲，提高了整个系统的成像质量。与传统系统相比，相同设计指标，本发明实施例成像光谱仪能获得更大的色散宽度和更小的体积重量。在系统设计的过程中，使用ZEMAX对系统进行了模拟，并对最近设计结果进行了分析总结，该结构具有较小的谱线弯曲和谱带弯曲。
本发明实施例成像光谱仪的优点包括：
采用两次通过同一Fery棱镜来实现大的色散宽度，结构紧湊，同时能获得大视场；
通过小的棱镜倾角可实现大的色散宽度；
在结构的两臂分别插入一个Fery棱镜，结构对称，校正像差效果较好；
采用Fery棱镜色散，较好的校正了谱线弯曲和谱带弯曲；
相同指标要求下，与传统FERY棱镜色散的OFFNER成像光谱仪相比，总长度减少30％，更好的实现了系统的小型化和轻量化的要求。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种成像光谱仪，其特征在于，包括第一Fery棱镜、第一主反射镜、次反射镜、第二Fery棱镜、第二主反射镜：
经过狭缝进入的光经所述第一Fery棱镜透射后到达所述第一主反射镜，经所述第一主反射镜反射后到达所述第一Fery棱镜，由所述第一Fery棱镜透射后到达所述次反射镜，由所述次反射镜反射后到达所述第二Fery棱镜，由所述第二Fery棱镜透射后到达所述第二主反射镜，由所述第二主反射镜反射后到达所述第二Fery棱镜，由所述第二Fery棱镜透射后到达成像面实现成像。
2.根据权利要求1所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一Fery棱镜的倾角不等于所述第二Fery棱镜的倾角。
3.根据权利要求1或2所述的成像光谱仪，其特征在于，所述成像光谱仪还包括光阑，所述光阑位于所述次反射镜上。
4.根据权利要求1或2所述的成像光谱仪，其特征在于，所述第一主反射镜、所述第二主反射镜或者所述次反射镜为球面反射镜。
5.根据权利要求1或2所述的成像光谱仪，其特征在于，所述狭缝的长度为40mm。
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