CN105115603A - 一种宽光谱影像成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种宽光谱影像成像装置，其中，该装置包括：光源发射器、准直镜、反射光栅、成像镜、图像传感器；其中，准直镜为非球面反射镜，成像镜为球面反射镜；光源发射器用于发射初始光至准直镜，准直镜反射出平行光源至反射光栅，反射光栅将平行光源衍射后，将不同波长光射入成像镜，成像镜将不同波长光反射至图像传感器进行宽光谱影像成像；反射光栅中心与成像镜中心之间的距离等于成像镜子午焦距的两倍，可使不同波长光在成像镜上入射角一致，使图像传感器的成像面倾斜一定的角度，以校正不同波长光之间的像散。通过该装置可以提高图像传感器成像面的影像质量，间接的增大了波段的使用范围，更便于多通道光纤的使用。

Description

一种宽光谱影像成像装置

技术领域

本发明涉及光学领域，尤指一种宽光谱影像成像装置。

背景技术

光谱仪是一种用于对光信号进行频谱分析的仪器，它具有光信号采集，色散，成像等几大功能。目前，传统的Czerny-Turner(C-T)结构光谱仪考虑了消球差条件和消彗差条件，它采用两镜分离的方式，避免了Ebert-Fastie结构的二次和多次衍射所带来的问题。现在C-T结构的分光***以其简单的结构和良好的光谱分辨率，已广泛应用于拉曼光谱等微弱信号检测和大气遥感等领域。对于以光电倍增管作探测器的一维光谱仪***，可以忽略像散所带来的影响，但是对于能量利用率敏感的高速线阵CCD和CMOS探测器，像散的影响却不容忽视，在二维成像光谱仪中，像散更是致命的缺点。

影响光谱仪影像性能的主要原因是像散的存在。像散产生的原因为球面反射镜离轴导致的子午和弧矢焦距不一致，子午焦距减小，弧矢焦距增大。目前，普遍采用的方法是利用非球面镜进行像散校正，以提高影像。非球面镜区别于球面镜的是，子午方向和弧矢方向具有不同的曲率半径，对应不同的焦距，子午焦距大于弧矢焦距，从而可以补偿像散，使子午和弧矢方向焦面一致。

反射光学***中虽然不存在色差，但是不同波长的光对应的衍射角不同，导致在成像镜上的入射角不同。像散与主光线在成像镜上入射角有关，所以不同波长对应的像散不同。在成像镜位置确定之后，即主波长对应的主光线在成像镜上的入射角确定之后，无法满足所有波长的光都消像散。只有不同波长的光在成像镜上的入射角基本一致时，才能满足宽波段范围内无像散。

非球面镜只能校正单一波长的像散，无法同时校正宽波段范围的像散。所以导致最终的成像，中心波长影像好，越靠近探测器边缘，影像越差，这样缩小了宽波段的使用范围。

发明内容

如背景技术所述，像散与主光线在成像镜上入射角有关，不同波长的光对应的衍射角不同，即在成像镜上的入射角不同，导致不同波长对应的像散不同。为解决上述问题，在采用非球面镜的基础上，当光栅位置与成像镜的球心共面时，经光栅衍射后不同波长光在成像镜上入射角基本一致，同时使光栅中心与成像镜中心之间的距离等于成像镜子午焦距的两倍，使成像面倾斜一定的角度，可以完美的校正不同波长之间的像散，从而实现宽光谱影像。如图1所示为采用本发明的宽光谱影像成像装置所获得的影像图，图2所示为利用现有技术(采用非球面镜)获得的影像图，通过两者的对比，可以很明显的看出图1在整个波段均进行了影像校正，而图2只有在中心波长位置影像最佳，越靠近边缘，影像越差。本发明所要解决的技术问题克服中心波长影像好、边缘影像差的问题，提升宽光谱影像。

为达到上述目的，本发明提出了一种宽光谱影像成像装置，包括：光源发射器、准直镜、反射光栅、成像镜、图像传感器；其中，所述准直镜为非球面反射镜，所述成像镜为球面反射镜；所述光源发射器用于发射初始光至所述准直镜，该准直镜反射出平行光源至所述反射光栅，该反射光栅将该平行光源衍射后，将不同波长光射入所述成像镜，该成像镜将所述不同波长光反射至所述图像传感器进行宽光谱影像成像；其中，该反射光栅中心与该成像镜中心之间的距离等于该成像镜子午焦距的两倍，使所述不同波长光在该成像镜上入射角一致，并使所述图像传感器的成像面倾斜一定的角度，以校正不同波长光之间的像散，实现宽光谱影像成像。

进一步的，该装置还包括：反射镜，用于改变反射光栅衍射出的不同波长光的光路方向，缩短光路，使装置结构更紧凑；所述反射光栅将该平行光源衍射后，将不同波长光射入所述反射镜，该反射镜将所述不同波长光反射至所述成像镜。

通过本发明提出的宽光谱影像成像装置可以提升整个CCD探测面的影像质量，间接的增大了波段的使用范围，更便于多通道光纤的使用。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的限定。在附图中：

图1所示为采用本发明的宽光谱影像成像装置所获得的影像示意图。

图2所示为利用现有技术(采用非球面镜)获得的影像示意图。

图3所示为本发明一实施例的宽光谱影像成像装置包含的硬件结构及理论光路示意图。

图4所示为本发明一具体实施例的宽光谱影像成像装置的实际光路示意图。

具体实施方式

以下配合图示及本发明的较佳实施例，进一步阐述本发明为达成预定发明目的所采取的技术手段。

请结合图3、图4所示，本发明的宽光谱影像成像装置包括：光源发射器101、准直镜102、反射光栅103、成像镜104、图像传感器105(CCD，Charge-coupledDevice，用于将光串换为数字信号进行相应处理)。

其中，准直镜102为非球面反射镜，在成像时可以降低像差，成像镜104为球面反射镜。此外，该装置还可以包括反射镜106，反射镜106为平面镜，用于改变反射光栅103衍射出的不同波长光的光路方向。

参照图3、图4所示，光源发射器101用于发射初始光至准直镜102，该准直镜102反射出平行光源至反射光栅103，反射光栅103将该平行光源衍射后，将不同波长光射入反射镜106，反射镜106将不同波长光反射至成像镜104，成像镜104将不同波长光反射至图像传感器105进行宽光谱影像成像。在图像传感器105的成像面上，宽光谱成像后从上至下依次为：红、橙、黄、绿、青、蓝、紫，实际摄谱范围由光栅配置决定(附图中未表示出颜色变化)。

其中，本发明将反射光栅103中心与成像镜104中心之间的距离设置为等于成像镜104子午焦距的两倍，这样可以使不同波长光在成像镜104上入射角一致，并使图像传感器105的成像面倾斜一定的角度，以达到较佳的校正不同波长光之间的像散，实现宽光谱影像成像。反射镜106的作用可以改变光路方向，并不影响所要实现的效果。如图3、图4所示，反射镜106还可以起到节省装置安装空间，使装置部件之间更紧凑，同时起到增大反射光栅103与成像镜104的距离的作用。该装置通过增大反射光栅与成像镜之间的距离使不同波长光在成像镜上入射角一致，并使成像面倾斜一定的角度，以此提高了图像传感器成像面的影像质量，并且间接的增大了波段的使用范围，更便于多通道光纤的使用。

在本实施例中，如果不设置反射镜106，则在设置反射光栅103中心与成像镜104中心之间的距离等于成像镜104子午焦距的两倍时，该反射光栅的位置与该成像镜的球心应该是处于共面的。

在本实施例中，准直镜102为非球面镜，外径尺寸为70mm×70mm，两个方向的曲率半径不一致，分别为639.7mm和597.1mm；成像镜104为球面反射镜，外径尺寸为80mm，曲率半径为639.7mm；反射光栅103为反射型光栅，外径尺寸为68mm×68mm。

由于反射光栅103的受光面比准直镜102小，所以准直镜102反射的一部分光不会在反射光栅103上衍射。

通过本发明提出的宽光谱影像成像装置可以提升整个CCD探测面的影像质量，间接的增大了波段的使用范围，更便于多通道光纤的使用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种宽光谱影像成像装置，其特征在于，包括：光源发射器、准直镜、反射光栅、成像镜、图像传感器；其中，所述准直镜为非球面反射镜，所述成像镜为球面反射镜；

所述光源发射器用于发射初始光至所述准直镜，该准直镜反射出平行光源至所述反射光栅，该反射光栅将该平行光源衍射后，将不同波长光射入所述成像镜，该成像镜将所述不同波长光反射至所述图像传感器进行宽光谱影像成像；

其中，该反射光栅中心与该成像镜中心之间的距离等于该成像镜子午焦距的两倍，使所述不同波长光在该成像镜上入射角一致，并使所述图像传感器的成像面倾斜一定的角度，以校正不同波长光之间的像散，实现宽光谱影像成像。

2.根据权利要求1所述的宽光谱影像成像装置，其特征在于，该装置还包括：反射镜，用于改变反射光栅衍射出的不同波长光的光路方向，缩短光路，使装置结构更紧凑；

所述反射光栅将该平行光源衍射后，将不同波长光射入所述反射镜，该反射镜将所述不同波长光反射至所述成像镜。