一种宽谱段单光路光谱成像装置的制作方法

本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种宽谱段单光路光谱成像装置。

背景技术：

传统的折射光学系统一般是由球面或非球面透镜构成的共轴系统,是关于光轴旋转对称的。但随着光电仪器使用范围的扩大,性能要求的提高,传统光学系统由于体积大,已经无法满足光电设备小型化的需要。反射光学系统的出现解决了这一问题。但共轴反射系统中存在中心遮拦,使能量的利用率降低,于是发展出非共轴反射系统,如三反系统等。非共轴系统的离轴像差很大,且不易校正,使系统的视场受到限制。在非共轴系统中引入自由曲面,能很好地校正离轴像差，从而扩大视场。

现有技术中自由曲面光学系统的设计，没有初始结构或者专利可提供选择。应用于光学系统中的自由曲面，通常根据系统设计的需求不同选定一种面型，然后选择合适的位置放置于系统中进行优化设计。这种方法需要光学设计人员具有丰富的经验，而且在优化过程中需要周期较长，容易陷入到局部最小值无法跳出循环，因此很难找到最优解。而传统光谱成像技术中，实现从可见近红外到短波红外的宽谱段成像，受到面阵探测器和成像质量的制约，单台相机难以实现如此宽谱段成像，需采用两台以上方可实现，难以满足小型化的需求。且小型化光谱仪存在性能上的缺陷，系统的分辨力下降，像差校正能力有限，谱面弯曲严重等问题。若实现宽谱段大视场成像，通常采用相机拼接，在狭缝后由刃口分割视场或在光谱仪的臂长放置分色片进行分光，从而实现分光束的探测，现有的成像光谱仪存在的结构复杂、集成化低等缺陷。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种宽谱段单光路光谱成像装置，该装置采用单光路设计，与宽谱段响应探测器相结合，通过引入自由曲面实现了宽谱段、小型化的使用需求，大幅度减小系统体积重量和成本。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种宽谱段单光路光谱成像装置，所述装置包括前置系统、入射狭缝、分光系统和宽谱段响应探测器，其中：

所述前置系统包含第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜；入射光束依次经所述第一反射镜、第二反射镜和第三反射镜反射后进入所述入射狭缝；

所述入射狭缝放置在一次像面处，入射到所述入射狭缝的光束经所述分光系统处理后进入所述宽谱段响应探测器；

所述宽谱段响应探测器的响应波段范围覆盖可见光和短波红外波段，且可见光和短波红外共用一套分光系统；

所述分光系统包含第一曲面棱镜、第四反射镜、第五反射镜、第二曲面棱镜、第六反射镜，其中：

将所述第五反射镜设为自由曲面，所述装置的孔径光阑位于所述第五反射镜13的位置处；

通过所设置的自由曲面，控制所述第四反射镜、第五反射镜和第六反射镜的离轴偏心量，以及第一曲面棱镜、第二曲面棱镜的两次透射，达到可见光和短波红外的色散要求，实现了宽谱段色散。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置采用单光路设计，与宽谱段响应探测器相结合，通过引入自由曲面实现了宽谱段、小型化的使用需求，大幅度减小系统体积重量和成本。

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为本发明实施例提供的宽谱段单光路光谱成像装置示意图；

图2为本发明实施例所述自由曲面求解示意图；

图3为本发明所举实例可见光通道的谱线弯曲示意图；

图4为本发明所举实例可见光通道的谱带弯曲示意图；

图5为本发明所举实例短波红外通道的谱线弯曲示意图；

图6为本发明所举实例短波红外通道的谱带弯曲示意图。

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。

下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的宽谱段单光路光谱成像装置示意图，所述装置包括前置系统5、入射狭缝6、分光系统7和宽谱段响应探测器16，其中：

所述前置系统5包含有第一反射镜8、第二反射镜9和第三反射镜10，入射光束依次经所述第一反射镜8、第二反射镜9和第三反射镜10反射后进入所述入射狭缝6；

所述入射狭缝6放置在一次像面处，入射到所述入射狭缝6的光束经所述分光系统7处理后进入所述宽谱段响应探测器16；

所述宽谱段响应探测器16的响应波段范围覆盖可见光和短波红外波段，且可见光和短波红外共用一套分光系统7；

所述分光系统7包含有第一曲面棱镜11、第四反射镜12、第五反射镜13、第二曲面棱镜14、第六反射镜15，其中：

将所述第五反射镜13设为自由曲面，所述装置的孔径光阑位于所述第五反射镜13的位置处；该孔径光阑影响主光线的入射角，直接影响系统的像差；

通过所设置的自由曲面，控制所述第四反射镜12、第五反射镜13和第六反射镜15的离轴偏心量，以及第一曲面棱镜11、第二曲面棱镜14的两次透射，达到可见光和短波红外的色散要求，实现了宽谱段色散。

上述方案利用自由曲面非旋转对称的光学特性，校正光谱系统的子午和弧矢像差的不对称性，补偿系统边缘视场的高级像差，改善传统设计带来的谱线弯曲和谱带弯曲，有效拓宽系统光谱范围。

进一步的，利用迭代法获得所述自由曲面不同位置的曲率半径，进而获得所述自由曲面的初始结构，该自由曲面可为分光系统的设计提供一个好的优化起点，能有效的缩短光谱成像系统的优化过程。

如图2所示为本发明实施例所述自由曲面求解示意图，参考图2，利用迭代法获得所述自由曲面不同位置的曲率半径的过程具体为：

首先建立右手坐标系，z轴与光轴方向一致，球面的顶点作为坐标系的原点；a点为给定的一点，为了计算自由曲面，采用逐次逼近的方法求近似数值解；

先求出光线1和基准球面2的交点坐标b01，将b01作为第一次近似解；

由b01作光轴的平行线获得与自由曲面3的交点b1；

将交点b1与自由曲面3的切平面4和所述光线1的交点b′1作为新的近似解；

重复以上步骤直到满足要求的精度为止。

举例来说，全系统是关于yoz面对称，因此多项式中x的奇次幂为0，多项式表达如下：

其中，k为二次系数，r为以透镜为单位的径向坐标，c为曲率。为了求解子午面的交点b1，自由曲面的表达式修改如下：

将等式(1)分别对x,y,z求导

子午面和出射光线的交点b′1是新的近似解，b′1和b1的距离是l，b′1通过使用下式计算：

x1＝x01+αl，y1＝y01+βl，z1＝z01+γl(4)

α,β,γ为方向余弦，b′1是在子午面上的点，通过下式可求得：

再将等式(5)代入(4)，可求得b′1。通过matlab多次迭代，子午和弧矢距离可获得：

由上式可求得函数对x的一阶导数和二阶导数，进而求得任意点的子午和弧矢距离：

根据近轴理论,rt,rs求解后,δxts可求得：

上述装置的光谱范围为400-2500nm，狭缝长度20mm，f数为3，系统总长310mm，光谱分辨率4.2nm。

以具体的实例来说：

通过追迹波长400nm,550nm,650nm，800nm，1000nm在视场为0mm,7mm,15mm,20mm处的像点位置，从而获得可见通道的光谱畸变曲线，如图3和4所示为本发明所举实例可见光通道的谱线弯曲和谱带弯曲示意图。从可见光通道的光谱畸变图可以看出，400nm的谱线弯曲较大，随着视场的增加，其值也不断增大，最大值为3μm，约为0.2个像元大小。其他波段的谱线弯曲均小于0.1个像元。从谱带弯曲图可看出，最大视场的谱带弯曲小于0.2个像元，可满足使用要求。

通过追迹波长1000nm，1500nm，1800nm，2200nm，2500nm在视场为0mm，7mm，15mm，20mm处的像点位置，从而获得短波红外通道的光谱畸变曲线，如图5和6所示为本发明所举实例短波红外通道的谱线弯曲和谱带弯曲示意图。从短波红外通道的光谱畸变图可看出，最大谱线弯曲发生在长波2500nm处，约为0.06个像元。所有视场的谱带弯曲都较小，均小于0.1个像元。

值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。例如曲面反射镜面型的修改，光学元件半径、厚度、空气间隔、所使用的光学材料等更改、视场、相对孔径的修改等，这些更改和变化不脱离本发明的实质范围。

综上所述，利用本发明实施例所提供的成像装置，单台相机达到传统意义两台相机实现的性能，系统体积和重量缩小50％以上；同时通过自由曲面的设计进行宽谱段像散校正，实现单台相机大视场，宽谱段性能。

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。