專利名稱：一種成像光譜儀的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及光學成像技術，尤其涉及一種成像光譜儀。
背景技術：
利用光譜成像技術能夠同時獲取目標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的幾何形貌和被測目標的理化屬性，可以將該光譜成像技術作為一種圖譜結合的探測手段。上個世紀八十年代以來，光譜成像技術開始被廣泛應用于航天航空遙感成像。通過飛行器搭載，在礦產與石油資源探測、 水質及大氣污染監(jiān)測、精準農業(yè)和林業(yè)等領域取得了矚目成就。目前，這項技術已經逐步滲透到生物醫(yī)學、藝術品防偽鑒定、食品安全監(jiān)測、疾病的控制與治療等民用領域，獲得了越來越廣泛的研究與運用。光譜成像技術從原理上分，主要有色散型、干涉型、濾光片型、計算層析型和衍射光學元件型等。其中，色散型成像光譜儀是最早提出并獲得實用化的成像光譜儀器，它具有原理簡單、易于實現(xiàn)等優(yōu)點，包含棱鏡色散和光柵色散兩種基本的結構形式。圖1示出了現(xiàn)有的透射式棱鏡色散成像光譜儀的結構。如圖1所示，該成像光譜儀包括前置物鏡、準直鏡、復合棱鏡、成像鏡、狹縫和探測器。通過狹縫的光線依次通過準直鏡、復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校正空間維像差，尤其是要復消色差，這就要求在準直鏡和成像鏡中設置多個不同面形的透鏡。由上可見，由于準直鏡和成像鏡均需校正寬譜段內多種像差，需要引入多組透鏡， 使得鏡頭結構復雜，必然會導致整個系統(tǒng)的裝調和測試困難、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)的圖像質量帶來嚴重的影響，必然會使整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低。由于光線要經過多組透鏡才能到達探測器，每次折射都會帶來光能的損失，必然會導致系統(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)明內容
有鑒于此，本發(fā)明實施例提供一種結構簡單、易裝調的成像光譜儀，用于降低系統(tǒng)的裝調和測試的難度，縮短研制周期和降低成本。本發(fā)明實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凹面和一個凸面，所述第二棱鏡包括一個凹面和一個凸面，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)域為膠合面，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邊緣之間有一個出射光線通過的第二區(qū)域，所述第一棱鏡包括一個在所述第一棱鏡的凹面上鍍內反射膜而形成的第一反射面，所述第二棱鏡包括一個在所述第二棱鏡的凸面上鍍內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)明一較佳實施例中，所述膠合面與光軸的交點到所述第一反射面與光軸的交點之間的距離為Tl，所述膠合面與光軸的交點到所述第二反射面與光軸的交點之間的距離為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)明一較佳實施例中，所述第一棱鏡和第二棱鏡采用的材料為光學玻璃或者晶體材料，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)有技術中的包含準直鏡，復合棱鏡和成像鏡的成像光譜儀相比，本發(fā)明實施例提供的成像光譜儀結構簡單，容易裝調和測試，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構示意圖；圖2為本發(fā)明實施例的成像光譜儀的結構示意圖；圖3為本發(fā)明實施例的包含圖2所示成像光譜儀的光學成像系統(tǒng)的結構示意圖；圖4為圖3所示的光學成像系統(tǒng)的光路示意圖；圖5為光線通過圖3所示的光學成像系統(tǒng)得到的光線追跡點列圖；圖6為圖3所示的光學成像系統(tǒng)的能量包圍曲線圖；圖7為圖3所示的光學成像系統(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 8 探測器
具體實施例方式為使本發(fā)明的目的、技術方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下參照附圖并列舉實施例， 對本發(fā)明進一步詳細說明。圖2為本發(fā)明實施例的成像光譜儀的結構示意圖。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包括一個凹面和一個凸面，該第二棱鏡4包括一個凹面和一個凸面。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)域為膠合面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的凹面的另一側邊緣之間有一個出射光線通過的第二區(qū)域。該第一棱鏡1包括一個在該第一棱鏡1的凹面上鍍內反射膜而形成的第一反射面2，該第二棱鏡4包括一個在該第二棱鏡4 的凸面上鍍內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所示的實施例可見，本實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實現(xiàn)現(xiàn)有技術中的準直鏡、復合棱鏡和成像鏡實現(xiàn)的色散和成像的功能。與現(xiàn)有的成像光譜儀相比，本實施例提供的光譜儀僅包含兩塊棱鏡，因此產品結構簡單，容易裝調和測試，采用本發(fā)明實施例提供的成像光譜儀會相應地縮短研制周期，降低成本，易于實現(xiàn)輕量化及小型化的生產要求，適合于批量生產。此外，在本發(fā)明實施例中，因為僅將兩塊棱鏡按照上述要求膠合在一起即構成本發(fā)明所述的成像光譜儀，采用的光學元件數(shù)目少，減少了出現(xiàn)光學元件傾斜和偏心的概率，相應地就減小了由于光學元件的傾斜和偏心而給系統(tǒng)的圖像質量帶來的不良影響，增加了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。本發(fā)明實施例提供的成像光譜儀采用三反射對稱的結構，這種結構有助于轉折光路，減小棱鏡的體積，相應地可以減少光能量的損耗，提高能量的利用率，據(jù)實驗驗證，在可見光、近紅外甚至中波紅外譜段可以達到80 90%以上的利用率，此外，這種結構還可以提高色散率，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，因此利用該結構的成像光譜儀所成的圖像的質量較好。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，相應地，不需要額外設計復雜的截止濾光片膜系。在具體應用中，該第一區(qū)域位于該光軸6的一側，該第二區(qū)域位于該光軸6的對側。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，在具體應用中，可以根據(jù)不同的需要設計第一棱鏡和第二棱鏡，假定膠合面 3與光軸6的交點到第一反射面2與光軸6的交點之間的距離為Tl，膠合面3與光軸6的交點到第二反射面5與光軸6的交點之間的距離為T2，相對于鏡頭焦距對Tl和T2歸一化時得到的數(shù)值范圍為0. 05 < Tl ^ 0. 2,0. 01 < T2彡0. 03。在實際應用中，第一棱鏡1和第二棱鏡4采用的材料可以是光學玻璃或者晶體材料，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的整個凹面鍍內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 的整個凸面鍍內反射膜而得到的反射面，也可以是將該第二棱鏡4的部分凸面鍍內反射膜而得到的反射面。上述實施例中的第一棱鏡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示出了實際應用中設計的一個光譜儀的參數(shù)。
權利要求
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)包括一個凹面和一個凸面，所述第二棱鏡(4)包括一個凹面和一個凸面，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)域為膠合面(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邊緣之間有一個出射光線通過的第二區(qū)域，所述第一棱鏡(1) 包括一個在所述第一棱鏡(1)的凹面上鍍內反射膜而形成的第一反射面O)，所述第二棱鏡(4)包括一個在所述第二棱鏡的凸面上鍍內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歸一化時得到的數(shù)值范圍為0<Dl I ( 0. 03,0 < D2 ( 0. 03。
2.根據(jù)權利要求1所述的成像光譜儀，其特征在于，所述膠合面C3)與光軸(6)的交點到所述第一反射面⑵與光軸(6)的交點之間的距離為Tl，所述膠合面(3)與光軸(6)的交點到所述第二反射面(5)與光軸(6)的交點之間的距離為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，第一棱鏡包括一個凹面和一個凸面，第二棱鏡包括一個凹面和一個凸面，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)域為膠合面，在膠合面和第二棱鏡的凹面的邊緣之間有一個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邊緣之間有一個出射光線通過的第二區(qū)域，第一棱鏡包括一個在第一棱鏡的凹面上鍍內反射膜而形成的第一反射面，第二棱鏡包括一個在第二棱鏡的凸面上鍍內反射膜而形成的第二反射面。本發(fā)明實施例提供的成像光譜儀僅包含兩塊膠合在一起的棱鏡，結構簡單，易裝調和測試，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:中國科學院光電研究院