一种适用于快照式光谱成像系统的大孔径分光成像方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115824411A(43)申请公布日2023.03.21(21)申请号202211573915.2(22)申请日2022.12.08(71)申请人苏州大学地址215137江苏省苏州市相城区济学路8号(72)发明人赵世家季轶群谭奋利(74)专利代理机构苏州创元专利商标事务所有限公司32103专利代理师陶海锋(51)Int.Cl.G01J3/28(2006.01)G01J3/02(2006.01)权利要求书1页说明书4页附图5页(54)发明名称一种适用于快照式光谱成像系统的大孔径分光成像方法(57)摘要本发明涉及一种适用于快照式光谱成像系统的大孔径分光成像方法。物面出射的大孔径复色光束经弯月透镜进行会聚，再入射至凹球面反射镜，将光束进一步会聚后反射至凸球面反射光栅，凸球面反射光栅胶合于弯月透镜的后表面，将复色会聚光分成不同波长的单色发散光束，并对光谱畸变进行校正后射向凹球面反射镜，进一步对不同波长的单色发散光束进行像差校正，并将发散光束会聚于弯月透镜处，光束被进一步会聚，并经像差校正后，会聚光束成像于像平面上。本发明采用同轴形式的离轴三反镜光学系统结构的成像方法，光线两次经过弯月透镜和凹球面反射镜的共光路结构，有效提升了系统的像差校正能力，具有大数值孔径、大视场、高光谱分辨率的特点。CN115824411ACN115824411A权利要求书1/1页1.一种适用于快照式光谱成像系统的大孔径分光成像方法，其特征在于包括如下步骤：步骤1，物面（1）出射的大孔径复色光束经弯月透镜（2）进行会聚，再入射至凹球面反射镜（3），光束得到进一步会聚后反射；步骤2，将凸球面反射光栅（4）胶合于弯月透镜的后表面，凸球面反射光栅与凹球面反射镜近似同心；经步骤1会聚后的光束反射至凸球面反射光栅，将复色会聚光分成不同波长的单色发散光束，并对光谱畸变进行校正；步骤3，步骤2得到的单色发散光束再由凸球面反射光栅射向凹球面反射镜，凹球面反射镜进一步对不同波长的单色发散光束进行像差校正，并将发散光束会聚于弯月透镜处，光束被进一步会聚，并经像差校正后，会聚光束成像于像平面上（5）。2.根据权利要求1所述的一种适用于快照式光谱成像系统的大孔径分光成像方法，其特征在于：弯月透镜（2）的前表面为偶次非球面，偶次非球面方程式为：；‑3其中，r是曲率半径；c是曲率，k是二次曲面系数，k=4.4×10；a2和a3分别是各单项式的‑8‑8‑12‑12系数，取值范围为‑1.45×10≤a2≤‑1.35×10，4.4×10≤a3≤4.8×10。3.根据权利要求1所述的一种适用于快照式光谱成像系统的大孔径分光成像方法，其特征在于：弯月透镜后表面、凹球面反射镜的前后表面为球面，它们的曲率半径依次为R22、R3，以mm为长度单位，满足条件：‑62≤R22≤‑58，‑130≤R3≤‑127。2CN115824411A说明书1/4页一种适用于快照式光谱成像系统的大孔径分光成像方法技术领域[0001]本发明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。背景技术[0002]成像光谱技术综合了空间成像技术和光谱成像技术，极大拓宽了人们在航天遥感领域、农林资源探测、矿物资源与地质勘探、军事侦测、生物医疗等方面的应用范围。其中，快照式高光谱成像仪可同时获取观测目标的二维图像信息与一维光谱信息，实现非扫描式的高光谱成像数据获取，目前已广泛应用于天文与遥感领域。[0003]成像光谱仪中，通常采用的分光元件为棱镜或平面光栅，棱镜分光具有光学效率高的优点，但棱镜的色散是非线性的，且会引入额外像差及谱线弯曲；平面光栅的色散是线性色散，但衍射效率较低且存在光谱畸变。与棱镜和平面光栅分光方式相比，offner分光系统的分光元件为凸球面反射光栅，具有结构简单紧凑、相对孔径大、光谱分辨率高、像差校正能力强等优点，凸球面反射光栅的引入，会使系统产生像散和彗差。[0004]现有文献所报道的快照式成像光谱仪中，大数值孔径、大成像视场和结构紧凑通常无法同时满足。文献“Opticaldesignofaprism‑grating‑basedlensletarrayintegralfieldspectrometer”（OpticalExpress，Vol.26，No.15，2018）报道了一种包括准直系统、色散系统和照相系统的光谱成像系统，其中，准直系统由六片球面透镜组成，色散系统采用棱镜与光栅组合的方法，照相系统由六片球面透镜组成。其采用光栅与棱镜组合的分光方式虽有利于光谱畸变的校正，但与棱镜型光谱仪相比，该系统光能量利用率低，并存在光谱叠级的不足，系统的光谱波段范围与视场存在严重制约；且系统光学元件繁多，不利于实现系统结构的紧凑。发明内容[0005]