[发明专利]一种用于三维光学成像的紧凑型光谱成像方法及系统

说明书

本发明公开了一种用于三维光学成像的紧凑型光谱成像方法及系统。被测物发出的成像光束经第一块凹面反射镜会聚成像至凸面反射光栅，再经分光和发散成像，将不同波长的成像光束入射至第二块凹面反射镜，经进一步会聚成像，不同波长的成像光线达到非球面场镜，由场镜校正剩余像差后，被测物的不同波长的光谱像会聚在焦平面探测器上。本发明提供的成像系统仅由三个反射元件和一个非球面透镜构成，简化了系统的加工和装调难度，减小了装调产生的累积误差。本发明采用全息记录的方法制备凸面反射光栅，经联合优化，实现像散与其它光学像差的平衡、精细校正，具有色散均匀、相对孔径大、分辨率高、成像质量好、无鬼像、结构紧凑、便于携带的特点。

技术领域

本发明涉及一种用于同时获取目标物的两维空间信息和一维光谱信息的光谱成像光学系统及其成像方法。

背景技术

光谱成像技术兼光学成像技术和光谱技术于一体，不仅可以获取传统成像系统对目标物拍摄得到的两维空间图像信息，还可获得光谱仪对目标物成分分析的光谱数据信息。

随着工业生产、生物医药和国防军事应用的不断发展，对光谱成像技术提出了迫切需求，特别需求发展一种结构紧凑、便于携带的高性能光谱成像系统。光谱成像系统需在成像光学系统中引入一块色散元件来实现分光，色散元件主要有棱镜和光栅两大类。采用棱镜分光，虽具有高的能量利用率，但其色散非线性、不均匀，对于谱面上谱线位置的确定带来了极大的麻烦，给大数据量的光谱定标设置了障碍。采用光栅分光，传统光谱成像系统一般采用平面光栅和凹面光栅分光，系统体积大、相对孔径小、能量利用率低、光谱分辨率低，且光栅的制作一般采用机刻的办法，有鬼像，影响成像性能。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种色散均匀、相对孔径大、光谱分辨率高、成像质量好、无鬼像、结构简单紧凑、便于携带的用于三维光学成像的紧凑型光谱成像系统及其光谱成像方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种用于三维光学成像的紧凑型光谱成像系统，它为离轴全反射式光学成像结构，系统满足物方、像方远心成像；沿光线入射方向，依次为第一块凹面反射镜，凸面反射光栅，第二块凹面反射镜，场镜；所述的第一块凹面反射镜、凸面反射光栅和第二块凹面反射镜的表面为球面，所述的场镜的表面为非球面，它们对系统焦距的归一化值依次对应为f’₁、f’₂、f’₃和f’₄，满足条件-0.3≤f’₁≤-0.25、0.15≤f’₂≤0.2、-0.31≤f’₃≤-0.23、0.8≤f’₄≤0.95；所述场镜的前表面的非球面系数依次为e₄₁₂、e₄₁₄、e₄₁₆，后表面的非球面系数依次为e₄₂₂、e₄₂₄、e₄₂₆，满足条件-4.085E-4≤e₄₁₂≤-4.070E-4，3.35E-4≤e₄₁₄≤3.65E-4，-1.33E-05≤e₄₁₆≤-1.30E-5，-2.16E-3≤e₄₂₂≤-2.04E-3，-2.55E-4≤e₄₂₄≤-2.68E-4，1.63E-5≤e₄₂₆≤1.70E-5。