專利名稱：一種成像光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)成像技術(shù)，尤其涉及一種成像光譜儀。
背景技術(shù)：
利用光譜成像技術(shù)能夠同時(shí)獲取目標(biāo)的二維空間圖像信息和一維光譜信息。二維空間圖像信息和一維光譜信息分別能直觀地反映被測目標(biāo)的幾何形貌和被測目標(biāo)的理化屬性，可以將該光譜成像技術(shù)作為一種圖譜結(jié)合的探測手段。上個(gè)世紀(jì)八十年代以來，光譜成像技術(shù)開始被廣泛應(yīng)用于航天航空遙感成像。通過飛行器搭載，在礦產(chǎn)與石油資源探測、 水質(zhì)及大氣污染監(jiān)測、精準(zhǔn)農(nóng)業(yè)和林業(yè)等領(lǐng)域取得了矚目成就。目前，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)逐步滲透到生物醫(yī)學(xué)、藝術(shù)品防偽鑒定、食品安全監(jiān)測、疾病的控制與治療等民用領(lǐng)域，獲得了越來越廣泛的研究與運(yùn)用。光譜成像技術(shù)從原理上分，主要有色散型、干涉型、濾光片型、計(jì)算層析型和衍射光學(xué)元件型等。其中，色散型成像光譜儀是最早提出并獲得實(shí)用化的成像光譜儀器，它具有原理簡單、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)，包含棱鏡色散和光柵色散兩種基本的結(jié)構(gòu)形式。圖1示出了現(xiàn)有的透射式棱鏡色散成像光譜儀的結(jié)構(gòu)。如圖1所示，該成像光譜儀包括前置物鏡、準(zhǔn)直鏡、復(fù)合棱鏡、成像鏡、狹縫和探測器。通過狹縫的光線依次通過準(zhǔn)直鏡、復(fù)合棱鏡和成像鏡的透射后最終被探測器接收。在此類系統(tǒng)中，需要在寬譜段范圍內(nèi)校正空間維像差，尤其是要復(fù)消色差，這就要求在準(zhǔn)直鏡和成像鏡中設(shè)置多個(gè)不同面形的透鏡。由上可見，由于準(zhǔn)直鏡和成像鏡均需校正寬譜段內(nèi)多種像差，需要引入多組透鏡， 使得鏡頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜，必然會導(dǎo)致整個(gè)系統(tǒng)的裝調(diào)和測試?yán)щy、研制周期長和成本高。每一塊棱鏡的微小傾斜和偏心都會給系統(tǒng)的圖像質(zhì)量帶來嚴(yán)重的影響，必然會使整個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。由于光線要經(jīng)過多組透鏡才能到達(dá)探測器，每次折射都會帶來光能的損失，必然會導(dǎo)致系統(tǒng)光能利用率低。此外，傳統(tǒng)三棱鏡色散還會帶來譜線彎曲等問題。

發(fā)明內(nèi)容
有鑒于此，本發(fā)明實(shí)施例提供一種結(jié)構(gòu)簡單、易裝調(diào)的成像光譜儀，用于降低系統(tǒng)的裝調(diào)和測試的難度，縮短研制周期和降低成本。本發(fā)明實(shí)施例提供一種成像光譜儀，包括第一棱鏡和第二棱鏡，其中，所述第一棱鏡包括一個(gè)凹面和一個(gè)凸面，所述第二棱鏡包括一個(gè)凹面和一個(gè)凸面，所述第一棱鏡的凸面和所述第二棱鏡的凹面膠合在一起，在所述第一棱鏡的凸面和所述第二棱鏡的凹面上形成的區(qū)域?yàn)槟z合面，在所述膠合面和所述第二棱鏡的凹面的邊緣之間有一個(gè)接收入射光線的第一區(qū)域，在所述膠合面和所述第二棱鏡的凹面的另一側(cè)邊緣之間有一個(gè)出射光線通過的第二區(qū)域，所述第一棱鏡包括一個(gè)在所述第一棱鏡的凹面上鍍內(nèi)反射膜而形成的第一反射面，所述第二棱鏡包括一個(gè)在所述第二棱鏡的凸面上鍍內(nèi)反射膜而形成的第二反射面，其中，所述第一反射面的曲率半徑為R1，所述第一棱鏡的凸面、所述第二棱鏡的凹面和所述膠合面有相同的曲率半徑R2，所述第二反射面的曲率半徑為R3，按光線的入射方向， 相對于鏡頭焦距對上述R1，R2和R3歸一化時(shí)得到的數(shù)值范圍為-0. 1 ^Rl < -0. 05,-0. 1
<R2 < -0. 05,-0.-0. 1，所述膠合面的曲率中心和頂點(diǎn)在光軸上，所述第一反射面和所述第二反射面的曲率中心相對于所述光軸的偏心距離分別為Dl和D2，相對于鏡頭焦距對上述Dl和D2歸一化時(shí)得到的數(shù)值范圍為0 < I Dl I ^ 0. 03,0 < D2彡0. 03。在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述膠合面與光軸的交點(diǎn)到所述第一反射面與光軸的交點(diǎn)之間的距離為Tl，所述膠合面與光軸的交點(diǎn)到所述第二反射面與光軸的交點(diǎn)之間的距離為T2，其中，相對于鏡頭焦距對上述Tl和T2歸一化時(shí)得到的數(shù)值范圍為0. 05
<Tl 彡 0. 2,0. 01 < T2 彡 0. 03。在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述第一棱鏡和第二棱鏡采用的材料為光學(xué)玻璃或者晶體材料，所述第一棱鏡和第二棱鏡所采用的材料的折射率分別為nl和π2，其中，1 < nl
<2，1 < n2 < 2。在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述第一棱鏡的凹面、第一棱鏡的凸面、第二棱鏡的凹面和第二棱鏡的凸面為球面或者非球面。在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述π2 > nl，所述第一棱鏡所采用的材料的阿貝數(shù)大于所述第二棱鏡所采用的材料的阿貝數(shù)。在本發(fā)明一較佳實(shí)施例中，所述第一棱鏡和第二棱鏡包括三棱鏡。由上可見，本發(fā)明實(shí)施例提供的成像光譜儀僅包含按上述要求膠合在一起的第一棱鏡和第二棱鏡，與現(xiàn)有技術(shù)中的包含準(zhǔn)直鏡，復(fù)合棱鏡和成像鏡的成像光譜儀相比，本發(fā)明實(shí)施例提供的成像光譜儀結(jié)構(gòu)簡單，容易裝調(diào)和測試，能夠在一定程度上縮短研制周期， 降低成本。


圖1為現(xiàn)有的透射式棱鏡色散成像光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明實(shí)施例的成像光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為本發(fā)明實(shí)施例的包含圖2所示成像光譜儀的光學(xué)成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖4為圖3所示的光學(xué)成像系統(tǒng)的光路示意圖；圖5為光線通過圖3所示的光學(xué)成像系統(tǒng)得到的光線追跡點(diǎn)列圖；圖6為圖3所示的光學(xué)成像系統(tǒng)的能量包圍曲線圖；圖7為圖3所示的光學(xué)成像系統(tǒng)的傳遞函數(shù)曲線圖。圖中1 第一棱鏡2 第一反射面3 膠合面4 第二棱鏡5 第二反射面6 光軸7 物點(diǎn) 8 探測器
具體實(shí)施例方式為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下參照附圖并列舉實(shí)施例， 對本發(fā)明進(jìn)一步詳細(xì)說明。圖2為本發(fā)明實(shí)施例的成像光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，該成像光譜儀包括第一棱鏡1和第二棱鏡4。其中，該第一棱鏡1包括一個(gè)凹面和一個(gè)凸面，該第二棱鏡4包括一個(gè)凹面和一個(gè)凸面。該第一棱鏡1的凸面和該第二棱鏡4的凹面膠合在一起，在該第一棱鏡1的凸面和第二棱鏡4的凹面上形成的區(qū)域?yàn)槟z合面3。在該膠合面3和第二棱鏡4的凹面的邊緣之間有一個(gè)接收入射光線的第一區(qū)域，在該膠合面3和該第二棱鏡4的凹面的另一側(cè)邊緣之間有一個(gè)出射光線通過的第二區(qū)域。該第一棱鏡1包括一個(gè)在該第一棱鏡1的凹面上鍍內(nèi)反射膜而形成的第一反射面2，該第二棱鏡4包括一個(gè)在該第二棱鏡4 的凸面上鍍內(nèi)反射膜而形成的第二反射面5。其中，該第一反射面2的曲率半徑為R1，該第一棱鏡1的凸面，該第二棱鏡4的凹面和該膠合面3有相同的曲率半徑R2，該第二反射面5 的曲率半徑為R3，按照光線的入射方向，相對于鏡頭焦距對R1，R2和R3歸一化時(shí)得到的數(shù)值范圍為-0. 1彡Rl < -0. 05,-0. 1 < R2彡-0. 05,-0. 2彡R3彡-0. 1。該膠合面3的曲率中心和頂點(diǎn)在光軸6上，該第一反射面2和第二反射面5的曲率中心相對于該光軸6的偏心距離分別為Dl和D2，其中，相對于鏡頭焦距對Dl和D2歸一化時(shí)得到的數(shù)值范圍為0 < Dl I ( 0. 03,0 < D2 ( 0. 03。由圖2所示的實(shí)施例可見，本實(shí)施例給出的成像光譜儀利用膠合在一起的第一棱鏡和第二棱鏡能夠?qū)崿F(xiàn)現(xiàn)有技術(shù)中的準(zhǔn)直鏡、復(fù)合棱鏡和成像鏡實(shí)現(xiàn)的色散和成像的功能。與現(xiàn)有的成像光譜儀相比，本實(shí)施例提供的光譜儀僅包含兩塊棱鏡，因此產(chǎn)品結(jié)構(gòu)簡單，容易裝調(diào)和測試，采用本發(fā)明實(shí)施例提供的成像光譜儀會相應(yīng)地縮短研制周期，降低成本，易于實(shí)現(xiàn)輕量化及小型化的生產(chǎn)要求，適合于批量生產(chǎn)。此外，在本發(fā)明實(shí)施例中，因?yàn)閮H將兩塊棱鏡按照上述要求膠合在一起即構(gòu)成本發(fā)明所述的成像光譜儀，采用的光學(xué)元件數(shù)目少，減少了出現(xiàn)光學(xué)元件傾斜和偏心的概率，相應(yīng)地就減小了由于光學(xué)元件的傾斜和偏心而給系統(tǒng)的圖像質(zhì)量帶來的不良影響，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明實(shí)施例提供的成像光譜儀采用三反射對稱的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)有助于轉(zhuǎn)折光路，減小棱鏡的體積，相應(yīng)地可以減少光能量的損耗，提高能量的利用率，據(jù)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，在可見光、近紅外甚至中波紅外譜段可以達(dá)到80 90%以上的利用率，此外，這種結(jié)構(gòu)還可以提高色散率，能較好地校正球差、 彗差和畸變等幾何像差，以及現(xiàn)有的棱鏡色散帶來的譜帶彎曲和譜線彎曲，因此利用該結(jié)構(gòu)的成像光譜儀所成的圖像的質(zhì)量較好。還有，能夠用于該成像光譜儀的自由光譜范圍較寬，從可見光到近紅外和中波紅外均可以，而且不會出現(xiàn)光譜混疊的現(xiàn)象，相應(yīng)地，不需要額外設(shè)計(jì)復(fù)雜的截止濾光片膜系。在具體應(yīng)用中，該第一區(qū)域位于該光軸6的一側(cè)，該第二區(qū)域位于該光軸6的對側(cè)。具體地，如圖2所示，該第一區(qū)域位于光軸6的下方，第二區(qū)域位于光軸6的上方。此外，在具體應(yīng)用中，可以根據(jù)不同的需要設(shè)計(jì)第一棱鏡和第二棱鏡，假定膠合面 3與光軸6的交點(diǎn)到第一反射面2與光軸6的交點(diǎn)之間的距離為Tl，膠合面3與光軸6的交點(diǎn)到第二反射面5與光軸6的交點(diǎn)之間的距離為T2，相對于鏡頭焦距對Tl和T2歸一化時(shí)得到的數(shù)值范圍為0. 05 < Tl ^ 0. 2,0. 01 < T2彡0. 03。在實(shí)際應(yīng)用中，第一棱鏡1和第二棱鏡4采用的材料可以是光學(xué)玻璃或者晶體材料，該第一棱鏡1和第二棱鏡4所采用的材料的折射率分別為nl和π2，其中，1 <nl <2, 1 < n2 < 2。在具體應(yīng)用中，第二棱鏡4采用的材料的折射率一般大于第一棱鏡1采用的材料的折射率。此外，第一棱鏡1采用的材料的阿貝數(shù)一般大于第二棱鏡4所采用的材料的阿貝數(shù)。在本發(fā)明實(shí)施例中，第一棱鏡1和第二棱鏡4可以為三棱鏡。其中，第一反射面2為將第一棱鏡1的整個(gè)凹面鍍內(nèi)反射膜而得到的反射面，也可以是將該第一棱鏡1的部分凹面鍍內(nèi)反射膜而得到反射面。第二反射面5為將第二棱鏡4 的整個(gè)凸面鍍內(nèi)反射膜而得到的反射面，也可以是將該第二棱鏡4的部分凸面鍍內(nèi)反射膜而得到的反射面。上述實(shí)施例中的第一棱鏡1和第二棱鏡4的凹面和凸面可以為球面，也可以為非球面。表1示出了實(shí)際應(yīng)用中設(shè)計(jì)的一個(gè)光譜儀的參數(shù)。
權(quán)利要求
1.一種成像光譜儀，其特征在于，包括第一棱鏡(1)和第二棱鏡G)，其中，所述第一棱鏡(1)包括一個(gè)凹面和一個(gè)凸面，所述第二棱鏡(4)包括一個(gè)凹面和一個(gè)凸面，所述第一棱鏡(1)的凸面和所述第二棱鏡的凹面膠合在一起，在所述第一棱鏡(1)的凸面和所述第二棱鏡的凹面上形成的區(qū)域?yàn)槟z合面(3)，在所述膠合面C3)和所述第二棱鏡的凹面的邊緣之間有一個(gè)接收入射光線的第一區(qū)域，在所述膠合面C3)和所述第二棱鏡的凹面的另一側(cè)邊緣之間有一個(gè)出射光線通過的第二區(qū)域，所述第一棱鏡(1) 包括一個(gè)在所述第一棱鏡(1)的凹面上鍍內(nèi)反射膜而形成的第一反射面O)，所述第二棱鏡(4)包括一個(gè)在所述第二棱鏡的凸面上鍍內(nèi)反射膜而形成的第二反射面(5)，其中， 所述第一反射面O)的曲率半徑為R1，所述第一棱鏡(1)的凸面、所述第二棱鏡的凹面和所述膠合面C3)有相同的曲率半徑R2，所述第二反射面(5)的曲率半徑為R3，按光線的入射方向，相對于鏡頭焦距對上述Rl，R2和R3歸一化時(shí)得到的數(shù)值范圍為-0. 1 ^ Rl<-0. 05,-0. 1 < R2彡-0. 05,-0. 2彡R3彡-0. 1，所述膠合面(3)的曲率中心和頂點(diǎn)在光軸(6)上，所述第一反射面(2)和所述第二反射面(5)的曲率中心相對于所述光軸(6)的偏心距離分別為Dl和D2，相對于鏡頭焦距對上述Dl和D2歸一化時(shí)得到的數(shù)值范圍為0<Dl I ( 0. 03,0 < D2 ( 0. 03。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像光譜儀，其特征在于，所述膠合面C3)與光軸(6)的交點(diǎn)到所述第一反射面⑵與光軸(6)的交點(diǎn)之間的距離為Tl，所述膠合面(3)與光軸(6)的交點(diǎn)到所述第二反射面(5)與光軸(6)的交點(diǎn)之間的距離為T2，其中，相對于鏡頭焦距對上述Tl和T2歸一化時(shí)得到的數(shù)值范圍為0. 05 < Tl ^ 0. 2,0. 01 < T2彡0. 03。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像光譜儀，其特征在于，所述第一棱鏡(1)和第二棱鏡(4)采用的材料為光學(xué)玻璃或者晶體材料，所述第一棱鏡(1)和第二棱鏡(4)所采用的材料的折射率分別為nl和n2，其中，1 < nl < 2，1 < n2 < 2。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像光譜儀，其特征在于，所述第一棱鏡(1)的凹面、第一棱鏡(1)的凸面、第二棱鏡的凹面和第二棱鏡的凸面為球面或者非球面。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的成像光譜儀，其特征在于，所述n2>nl，所述第一棱鏡(1) 所采用的材料的阿貝數(shù)大于所述第二棱鏡(4)所采用的材料的阿貝數(shù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像光譜儀，其特征在于，所述第一棱鏡(1)和第二棱鏡 (4)包括三棱鏡。
全文摘要
本發(fā)明實(shí)施例提供一種成像光譜儀，包括第一棱鏡和第二棱鏡，其中，第一棱鏡包括一個(gè)凹面和一個(gè)凸面，第二棱鏡包括一個(gè)凹面和一個(gè)凸面，第一棱鏡的凸面和第二棱鏡的凹面膠合在一起，在第一棱鏡的凸面和第二棱鏡的凹面上形成的區(qū)域?yàn)槟z合面，在膠合面和第二棱鏡的凹面的邊緣之間有一個(gè)接收入射光線的第一區(qū)域，在膠合面和第二棱鏡的凹面的另一側(cè)邊緣之間有一個(gè)出射光線通過的第二區(qū)域，第一棱鏡包括一個(gè)在第一棱鏡的凹面上鍍內(nèi)反射膜而形成的第一反射面，第二棱鏡包括一個(gè)在第二棱鏡的凸面上鍍內(nèi)反射膜而形成的第二反射面。本發(fā)明實(shí)施例提供的成像光譜儀僅包含兩塊膠合在一起的棱鏡，結(jié)構(gòu)簡單，易裝調(diào)和測試，研制周期短，成本較低。
文檔編號G01J3/28GK102410878SQ20111039869
公開日2012年4月11日 申請日期2011年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2011年12月2日
發(fā)明者呂群波, 周錦松, 相里斌, 聶云峰, 黃旻 申請人:中國科學(xué)院光電研究院