阅读说明：本技术 一种Dyson曲面棱镜光谱成像系统 (Dyson curved surface prism spectral imaging system ) 是由 魏立冬 周锦松 冯蕾 何晓英 景娟娟 李雅灿 杨雷 徐丽 聂博洋 于 2020-06-05 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种Dyson曲面棱镜光谱成像系统,所述系统包括狭缝、Dyson透镜、凸透镜、凹透镜、第一曲面棱镜、第二曲面棱镜和探测器,所述凸透镜和凹透镜位于所述Dyson透镜和所述第一曲面棱镜之间；所述第一曲面棱镜和第二曲面棱镜的前后表面均为球面,但光轴并不在一条直线上,两个曲面棱镜具有不同的折射率阿贝数,且夹角倾斜方向不同；所述第二曲面棱镜的后表面作为整个系统的孔径光阑,并在整个后表面镀制反射膜层。该系统能够在实现宽谱段、大视场、高分辨率的同时,实现高信噪比和易于装调的紧凑体积。(The invention discloses a Dyson curved prism spectral imaging system which comprises a slit, a Dyson lens, a convex lens, a concave lens, a first curved prism, a second curved prism and a detector, wherein the convex lens and the concave lens are positioned between the Dyson lens and the first curved prism; the front and back surfaces of the first curved surface prism and the second curved surface prism are spherical surfaces, but the optical axes are not on the same straight line, the two curved surface prisms have different refractive index Abbe numbers, and the inclined directions of included angles are different; the back surface of the second curved surface prism is used as an aperture diaphragm of the whole system, and a reflecting film layer is plated on the whole back surface. The system can realize wide spectrum, large field of view and high resolution, and simultaneously realize high signal-to-noise ratio and compact volume which is easy to adjust.)

一种Dyson曲面棱镜光谱成像系统

技术领域

本发明涉及高光谱成像技术领域，尤其涉及一种Dyson曲面棱镜光谱成像系统。

背景技术

高光谱成像技术是在多光谱遥感技术基础上发展起来的新一代航天航空光学遥感技术，能高分辨率同时获取目标的空间和光谱信息，高光谱成像仪一般由前置镜系统、狭缝和光谱成像系统组成，当前高光谱成像设备正朝着大视场、宽谱段、高分辨率和小型化的方向发展，目前常见的高光谱成像技术方案包括Czerny-Turner，Offner和Dyson等，具体来说：

1)Czerny-Turner光谱仪采用平面光栅作为分光元件，但存在着较大的残余像散难以得到有效校正，且F数不能做到足够小；

2)Offner光谱仪使用凸面光栅作为分光元件，具有良好的成像性能，但是其凸面光栅的制作难度大和成本高昂。而且Offner光谱仪的F数不能做到很小，通常F数2.5已经是极限值。

3)Dyson光谱成像系统由Dyson透镜和凹面光栅组成，现有技术是采用凹面光栅作为分光元件，Dyson透镜的球面与凹面光栅同心，Dyson光谱仪衍射光栅的高级衍射光引起的杂光问题会严重影响系统的综合质量，并且由于光栅衍射引起的能量损失一定程度上降低了系统的信噪比。

发明内容

本发明的目的是提供一种Dyson曲面棱镜光谱成像系统，该系统能够在实现宽谱段、大视场、高分辨率的同时，实现高信噪比和易于装调的紧凑体积。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种Dyson曲面棱镜光谱成像系统，所述系统包括狭缝、Dyson透镜、凸透镜、凹透镜、第一曲面棱镜、第二曲面棱镜和探测器，其中：

所述凸透镜和凹透镜位于所述Dyson透镜和所述第一曲面棱镜之间；

所述第一曲面棱镜和第二曲面棱镜的前后表面均为球面，但光轴并不在一条直线上，两个曲面棱镜具有不同的折射率阿贝数，且夹角倾斜方向不同；

所述第二曲面棱镜的后表面作为整个系统的孔径光阑，并在整个后表面镀制反射膜层；

在成像过程中：由前置镜收集的探测目标的光束经过所述狭缝后，依次入射到Dyson透镜、凸透镜、凹透镜、第一曲面棱镜、第二曲面棱镜；再由所述第二曲面棱镜后表面镀制的反射膜层反射后，光束再依次经过第二曲面棱镜、第一曲面棱镜、凹透镜、凸透镜、Dyson透镜，并最终成像在所述探测器上。

由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统能够在实现宽谱段、大视场、高分辨率的同时，实现高信噪比和易于装调的紧凑体积，提高了光谱成像系统的性能和实用性。

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Dyson曲面棱镜光谱成像系统的整体结构示意图；

图2为本发明所举实例Dyson曲面棱镜光谱成像系统的示意图。

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Dyson曲面棱镜光谱成像系统的整体结构示意图，所述系统主要包括狭缝101、Dyson透镜102、凸透镜103、凹透镜104、第一曲面棱镜105、第二曲面棱镜106和探测器107，其中：

所述凸透镜103和凹透镜104位于所述Dyson透镜102和所述第一曲面棱镜105之间；通过该凸透镜103和凹透镜104的设计可以优化系统的光焦度，增大入射狭缝、像面和Dyson透镜之间的距离，易于系统的装调测试；

所述第一曲面棱镜105和第二曲面棱镜106的前后表面均为球面，但光轴并不在一条直线上，两个曲面棱镜具有不同的折射率阿贝数，且夹角倾斜方向不同；因此光线在经过第一曲面棱镜105和第二曲面棱镜106时会发生色散作用，将入射的具有一定带宽的复色光色散开；

由于基于曲面棱镜的光谱成像系统一般存在明显的色散非线性问题，这是由光学材料的折射率特点决定的，例如对于常见的光学材料，玻璃的折射率在可见光的短波范围内变化很快，但在长波范围内变化较慢，在不进行非线性校正的情况下，相等间隔的短波范围内和长波范围内的光谱分辨率相差很大，严重影响了系统的信噪比，给后续的数据处理和计算带来不便，因此本申请实施例采用两块具有不同折射率阿贝数，且夹角倾斜方向不同的曲面棱镜相结合，从而可以获得校正非线性的曲面棱镜的最佳参数取值来校正光谱的非线性；

所述第二曲面棱镜106的后表面作为整个系统的孔径光阑，并在整个后表面镀制反射膜层；

具体在成像过程中：首先由前置镜收集的探测目标的光束经过所述狭缝101后，依次入射到Dyson透镜102、凸透镜103、凹透镜104、第一曲面棱镜105、第二曲面棱镜106；再由所述第二曲面棱镜106后表面镀制的反射膜层反射后，光束再依次经过第二曲面棱镜106、第一曲面棱镜105、凹透镜104、凸透镜103、Dyson透镜102，并最终成像在所述探测器107上。

具体实现中，上述第一曲面棱镜105和第二曲面棱镜106的折射率阿贝数分别为：

	折射率	阿贝数
			第一曲面棱镜105	1.806	41.02
第二曲面棱镜106	1.761	26.56

夹角倾斜方向分别为：

第一曲面棱镜105为+12°～28°；第二曲面棱镜106为-2°～-25°。

上述所采用的前置镜可以为望远镜或者显微物镜。

下面以具体的实例对上述系统的工作过程及效果进行详细说明，本实例中系统参数为：光谱范围达到400-900nm，覆盖可见光到近红外波段，狭缝长度22mm，F数为1.8，像元大小为11μm，如图2为本发明所举实例Dyson曲面棱镜光谱成像系统的示意图，参考图2：

入射光线经狭缝入射到Dyson透镜及两块球面透镜后，到达两块方向相反、材料不同的曲面棱镜1和2，由于曲面棱镜前后表面与光轴的夹角，不同波长的光束沿垂直于狭缝的方向色散开来，整个光谱系统的孔径光阑设置在第二块曲面棱镜(图2中Frey棱镜2)的后表面，在整个后表面上镀制反射膜层；

光束经反射后再次经过两块曲面棱镜、两块球面透镜和Dyson透镜后最终到达探测器像面会聚，此时像面与Dyson透镜之间的距离达到32.9mm，入射狭缝与Dyson透镜之间的距离达到36.9mm，像面与入射狭缝垂直方向距离为18mm，从而为入射狭缝和探测器安装提供了充足的空间，利于整个系统的安装和调试。

上述系统的工作调试结果表明400nm到900nm波长范围色散开1mm的长度，在长波900nm处光谱分辨率小于10nm，中心波长650nm处光谱分辨率小于7nm，短波400nm处光谱分辨率小于5nm。且光线经过光学系统后形成弥散斑的RMS直径均在11μm范围内，说明几何像差已得到基本校正，同时从各单色光的MTF曲线可知：系统在对应的空间采样频率46lp/mm处的MTF值在全视场均在0.5以上，成像质量良好。

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，例如采用不同的曲面棱镜形式等。

综上所述，本申请实施例采用曲面棱镜来代替凹面光栅作为光谱系统的分光元件，一方面消除了由于光栅衍射引起的能量损失及杂光问题；另一方面通过优化设计两块曲面棱镜的形状及材料来矫正光谱的非线性问题。

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。