本發(fā)明涉及光譜成像
技術領域：
，尤其涉及一種基于自由曲面的光譜成像系統(tǒng)。
背景技術：
：高光譜成像技術不同與傳統(tǒng)成像，它是集光譜和成像于一體，能夠同時獲得目標的圖像和光譜信息。傳統(tǒng)成像記錄的是研究對象的空間信息，傳統(tǒng)光譜記錄的是多個波長在每個像素的強度，提供研究對象的光譜信息。而高光譜成像能夠同時獲得研究對象的化學和物理特征，具有良好的空間分辨率和光譜分辨率。光譜成像技術作為一種特殊的光學技術最初應用于遙感測量，然后應用于軍事、農業(yè)、醫(yī)學等領域。目前，成像光譜儀主要以色散型為主，其中主要包括棱鏡色散和光柵色散兩種。其中，光柵分光方式衍射效率低，凸面光柵制造成本高，制作工藝不成熟，價格昂貴，加工制作難，裝調難，通用性差，適用范圍小。平面光柵難校正像差，棱鏡色散由于能量高，無級次重疊等應用廣泛。但傳統(tǒng)棱鏡色散屬于非共軸光學系統(tǒng)，多個光軸像差難校正，加工裝調難。技術實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是提供一種基于自由曲面的光譜成像系統(tǒng)，其結構小型化，輕量化，簡單化，且易于加工與裝調檢測。本發(fā)明的目的是通過以下技術方案實現(xiàn)的：一種基于自由曲面的光譜成像系統(tǒng)，包括：入射狹縫、曲面棱鏡、自由曲面反射鏡、平面反射鏡與探測器像面；其中，入射狹縫是光譜成像系統(tǒng)的物面，光線由入射狹縫以物方遠心入射至曲面棱鏡，透射后由自由曲面反射鏡反射，再一次經過曲面棱鏡透射，最后經平面反射鏡反射后，成像于探測器像面。所述自由曲面反射鏡是基于Zernike多項式的數(shù)學模型，其表達式為：z=cr21+1-(1+k)c2r2+Σi=1NAiZi(ρ,φ);]]>其中，r為曲率半徑，c為曲面常數(shù)，Ai為第i項zernike多項式系數(shù)，k為二次項系數(shù)，N為zernike項數(shù)，ρ，φ為zernike表達式的參數(shù)變量，Zi為使用的第i項zernike表達式。由上述本發(fā)明提供的技術方案可以看出，利用自由曲面的非旋轉對稱性，有效的克服了光柵衍射效率低，譜線級次重疊的問題；系統(tǒng)中僅采用了一個反射鏡，一個棱鏡，有效的平衡由于視場增大而帶來的像差，擴大系統(tǒng)的成像范圍，改善了成像質量，減小光譜儀器的體積和重量，實現(xiàn)系統(tǒng)簡單化，為滿足大視場大相對孔徑寬譜段航空機載提供應用。附圖說明為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術方案，下面將對實施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本領域的普通技術人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他附圖。圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于自由曲面的光譜成像系統(tǒng)的結構示意圖；圖2為本發(fā)明實施例提供的系統(tǒng)在短波典型波長處全視場的MTF曲線示意圖；圖3為本發(fā)明實施例提供的系統(tǒng)在中波典型波長處全視場的MTF曲線示意圖；圖4為本發(fā)明實施例提供的系統(tǒng)在長波典型波長處全視場的MTF曲線示意圖。具體實施方式下面結合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發(fā)明的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明的保護范圍。圖1為本發(fā)明實施例提供的一種基于自由曲面的光譜成像系統(tǒng)的結構示意圖。如圖1所示，其主要包括：入射狹縫1、曲面棱鏡2、自由曲面反射鏡3、平面反射鏡4與探測器像面5；其中，入射狹縫1是光譜成像系統(tǒng)的物面，光線由入射狹縫1以物方遠心入射至曲面棱鏡2，透射后由自由曲面反射鏡3反射，再一次經過曲面棱鏡2透射，最后經平面反射鏡4反射后，成像于探測器像面5。本發(fā)明實施例中，平面反射鏡4僅用來折轉光路所用，不影響成像質量。整個光譜儀系統(tǒng)是通過曲面棱鏡的兩次透射，自由曲面反射鏡的一次反射，實現(xiàn)了光路的簡單化，小像差設計。本發(fā)明實施例的上述系統(tǒng)，利用自由曲面的非旋轉對稱性，有效的克服了光柵衍射效率低，譜線級次重疊的問題；系統(tǒng)中僅采用了一個反射鏡，一個棱鏡，有效的平衡由于視場增大而帶來的像差，擴大系統(tǒng)的成像范圍，改善了成像質量，減小光譜儀器的體積和重量，實現(xiàn)系統(tǒng)簡單化，為滿足大視場大相對孔徑寬譜段航空機載提供應用。示例性的，本發(fā)明實施例提供的一種基于自由曲面的光譜成像系統(tǒng)的主要技術指標可以為：波長范圍0.4μm～1μm，色散長度3mm，入射狹縫長度10mm，物方數(shù)值孔徑0.12，系統(tǒng)總長77mm。系統(tǒng)光學元件的參數(shù)如表1所示。光學元件半徑/mm厚度/mm其他/mm狹縫(物面)1平面62.7曲面棱鏡2前表面-84.112曲面棱鏡2后表面-96.925自由曲面反射鏡3-122.540偏心13平面反射鏡4平面63.7探測器像面5平面表1：光學元件參數(shù)本發(fā)明實施例中，自由曲面反射鏡是基于Zernike多項式的數(shù)學模型，便于加工實現(xiàn)。數(shù)學模型的表達式為：z=cr21+1-(1+k)c2r2+Σi=1NAiZi(ρ,φ).]]>其中，r為曲率半徑，c為曲面常數(shù)，Ai為第i項zernike多項式系數(shù)，k為二次項系數(shù)，N為zernike項數(shù)，ρ，φ為zernike表達式的參數(shù)變量，Zi為使用的第i項zernike表達式。其中自由曲面的系數(shù)如表2所示：Z1-Z16為zernike多項式系數(shù)，即為模型表達式中的Ai。Z1Z2Z3Z46.91.190.37-0.04Z5Z6Z7Z8-0.1460.0730.0540.056Z9Z10Z11Z12-0.151-0.033-0.016-0.042Z13Z14Z15Z16-0.020.103-0.02-6.496E-003表2：自由曲面的系數(shù)本發(fā)明實施例所提供的基于自由曲面的光譜成像系統(tǒng)在短波、中波、長波典型波長處全視場的MTF(調制傳遞函數(shù))曲線分別如圖2-4所示。其中的短波、中波、長波可以分別400nm、600nm1000nm。圖2-4中，橫軸spatialfrequencyincyclespermm為系統(tǒng)的截止頻率，單位為線對/毫米，ModulusoftheOTF為調制傳遞函數(shù)值。從圖中可以看出，各個波長在耐奎斯特頻率以內的成像質量較好。本發(fā)明實施例的上述方案，相對于現(xiàn)有技術而言，主要具有如下優(yōu)點：1)系統(tǒng)僅采用一塊曲面棱鏡，通過雙次透射實現(xiàn)大色散，有效提高系統(tǒng)光譜分辨率，實現(xiàn)系統(tǒng)的簡單化；2)與光柵光譜儀相比，該系統(tǒng)幾乎無光能損失，透過率高于98％，信噪比提高了一倍以上；3)系統(tǒng)所使用的曲面棱鏡工藝成熟，且加工成本低，易實現(xiàn)加工裝調；4)自由曲面反射鏡的面型采用一種簡單的數(shù)理模型，基于Zernike表征函數(shù)的多項式，便于實現(xiàn)加工；5)引入自由曲面反射鏡，使得系統(tǒng)的子午和弧矢像差得到了有效的校正，6)有效的改善了成像質量，校正由于譜段展寬引起的色差。以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實施方式，但本發(fā)明的保護范圍并不局限于此，任何熟悉本
技術領域：
的技術人員在本發(fā)明披露的技術范圍內，可輕易想到的變化或替換，都應涵蓋在本發(fā)明的保護范圍之內。因此，本發(fā)明的保護范圍應該以權利要求書的保護范圍為準。當前第1頁1 2 3