专利名称：微型超光谱成像系统的制作方法
技术领域：
本发明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。
背景技术：
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。发明内容本发明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，本发明采用的技术方案是 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，本发明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。
图1是本发明实施例一所述的光学系统的结构示意图；图2是本发明实施例一所述的光学系统的光路示意图；图3是本发明实施例一所述的光学系统的光线追迹点列图；图4是本发明实施例一所述的光学系统的畸变曲线图；图5是本发明实施例一所述的光学系统的场曲/像散曲线图；图6本发明实施例一所述的光学系统能量集中度曲线图；图7是本发明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是本发明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发明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，本发明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，不同波长的像均匀分布在其上。按光线入射方向，从 入射狭缝到达主镜2，由主镜会聚到凸球面直线槽全息光栅3,光栅再对会聚 光束发散并将不同波长的光分开，经该光栅分开后的光束到达三镜4，由三镜 将不同波长的光分别会聚到接收器平表面，实现了 1:1成像的同时将不同光谱 的像进行了分离。参见附图3,它是光线通过本实施例所述的光学系统的光线追迹点列图， 即入射狭缝经过光谱仪分光成像后在接收平面上的情况，图3中几个不同波长 在不同视场处的圆表示Airy斑，由图可见，像面上不同波长的各视场处的点 列图都落在Airy斑以内，表明该光学系统具有衍射理论极限的聚焦特性。本实施例所述的光学系统畸变用栅格图表示如图4所示，图中，网格结点 为理想像点所在位置，十字叉表示实际成像点位置，本实施例光学系统的畸变 (实际像点与理想像点的偏离理想像点位置的百分比)最大值是0.1078%，它的畸变值完全满足于光谱分析时的畸变要求。参见附图5，它是本实施镜头的场曲、像散曲线图，横坐标表示场曲像散 值，纵坐标是归一化视场，图中的两条曲线S和T分别表示弧矢和子午两个面 内的场曲，两曲线之间的差值即像散值。由于本发明的特殊性，入射狭缝(即 成像光谱仪的视场)是一个两维的矩形条，图A和图B分别给出了沿矩形两个 方向上的在场曲、像散曲线，由图可见，像散值在像差容限范围内。参见附图6，它是本实施例所述的光学系统的能量集中度曲线，由图6可 见，80%以上的能量集中在Airy斑范围内。参见附图7，它是本实施例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，由于系统满足像方远心，从图中曲线可以看出，像面照度分布 十分均匀，边缘照度没有任何下降。参见附图8，它是本实施例所述的光学系统的调制传递函数曲线，由图可 以看出，该光学系统具有衍射极限的成像性能。本实施例所提供的光学系统中，主镜和三镜对成像光束起会聚作用，光栅 对其起发散和分光作用，系统满足物、像方远心的特点，用于光学成像和精细 光谱分析的光学系统，它是一种集成像与分光技术于一体的成像光谱系统。实施例二本实施例中，系统结构参见实施例1， F数F/No.= 2.5，工作波长在可 见光范围内。光学系统的其余参数如下入射狭缝为一个2000X200微米的矩形，光栅 常数为4201p/mm，玻璃材料折射率为1.6。系统焦距为115mm，主镜的曲率半 径为-27mm,光栅的曲率半径为-13. 5mm，三镜的曲率半径为-27mm，相对于镜 头焦距归一化时的曲率半径分别为R2 = -0. 235， R3 = -0. 117和R4= -0. 235。 狭缝1与主镜2的间距为27mm，主镜2与光栅3的间距为-13. 5mm，光栅3与 三镜4的间隔为13. 5mm，三镜4与像面5的间隔为-27mm。
权利要求
1.一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≤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。
2. 根据权利要求1所述的一种微型超光谱成像系统，其特征在于所述 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。
3. 根据权利要求1所述的一种微型超光谱成像系统，其特征在于所述 的光栅表面最高点位于光轴上，它与主镜、三镜顶点间距为它们曲率半径的二 分之一。
4. 根据权利要求1所述的一种微型超光谱成像系统，其特征在于所述 的光栅常数为每毫米400 450线对。
5. 根据权利要求1所述的一种微型超光谱成像系统，其特征在于所述 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。
6. 根据权利要求1或5所述的一种微型超光谱成像系统，其特征在于 所述的光学玻璃基底的折射率n的取值范围为l《n《2。
全文摘要
本发明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。
文档编号G02B17/00GK101216595SQ200710302608
公开日2008年7月9日 申请日期2007年12月29日 优先权日2007年12月29日
发明者季轶群, 沈为民 申请人:苏州大学