CN114166347A - 一种中波红外高光谱分光成像单元 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种中波红外高光谱分光成像单元，该分光成像单元包括狭缝，由第一、第二和第三透镜组成的准直镜，平面闪耀光栅；经狭缝透射的光线经准直镜准直后入射到平面闪耀光栅，被平面闪耀光栅分光后再返回到准直镜；返回的光线经准直镜后在设置于准直镜前焦面上的面阵探测器上成像；所述的第一透镜为双凸透镜；第二透镜为弯月负透镜，其面向狭缝的一侧为凹面，面向平面闪耀光栅的一侧为凸面；第三透镜为弯月正透镜，其面向狭缝的一侧为凹面，面向平面闪耀光栅的一侧为凸面。本发明避免了高成本的凸面闪耀光栅和凹面闪耀光栅的使用，降低了装调难度，使成像光谱仪结构更加紧凑，成像效果好。

Description

一种中波红外高光谱分光成像单元
技术领域
本发明属于红外高光谱技术领域，涉及一种高集成度的基于平面闪耀光栅的远心自准直结构的中波红外高光谱分光成像单元。
背景技术
中波红外高光谱成像设备可同时获取被测地物的图像信息和光谱信息，通过地物目标的指纹光谱信息辨别物质种类和成分，在矿物勘察、气体成分分析、森林火灾探测等方面具有重要的应用价值。
分光成像单元是高光谱成像设备的核心部件。按照分光方式进行分类，成像光谱仪分为色散型和干涉型两种，其中以闪耀光栅作为分光元件的色散型光谱仪市场分布最广。为了使高光谱成像设备小型化，通常把准直、分光、聚焦三部分进行组合设计，其中应用最广的设计形式是Offner成像光谱仪和Dyson成像光谱仪。但是，这两种主流设计形式的分光光栅都采用了曲面光栅，Offner结构采用凸面光栅，Dyson结构采用凹面闪耀光栅，曲面光栅的加工难度大，价格较高，并且反射面较多装配难度大。而基于平面光栅结构的光谱仪结构中包含准直、分光、聚焦三个部分，结构难以小型化。
发明内容：
本发明要解决的技术问题在于提供一种中波红外高光谱分光成像单元，该分光单元克服了现有基于闪耀光栅的中波红外高光谱成像设备中曲面闪耀光栅和多反射镜结构带来的加工困难、价格高的问题，并且通过利用平面闪耀光栅和远心自准直镜，实现了狭缝在中红外波段的色散分光和成像，成像质量好,结构紧凑。
为了解决上述技术问题，本发明的中波红外高光谱分光成像单元，包括狭缝，由第一、第二和第三透镜组成的准直镜，平面闪耀光栅；所述的狭缝设置在准直镜前焦面上，其开口长度方向垂直光轴并平行于以光轴为轴心的圆的切线；平面闪耀光栅的中心位于准直镜后焦面上，其角度可根据入射光的波长范围调节；经狭缝透射的光线经准直镜准直后入射到平面闪耀光栅，被平面闪耀光栅分光后再返回到准直镜；返回的光线经准直镜后在设置于准直镜前焦面上的面阵探测器上成像；所述的第一透镜为双凸透镜；第二透镜为弯月负透镜，其面向狭缝的一侧为凹面，面向平面闪耀光栅的一侧为凸面；第三透镜为弯月正透镜，其面向狭缝的一侧为凹面，面向平面闪耀光栅的一侧为凸面。
设入射光的波长范围为λ1～λ3，由准直镜出射并入射到平面闪耀光栅的主光线与光轴间的夹角为θ；平面闪耀光栅的光栅常数为d，工作时的有效衍射级次为m；准直镜的焦距为f；则狭缝的中心到光轴的垂直距离h满足公式(1)，平面闪耀光栅的法线与光轴之间的夹角α满足公式(2)；
Figure BDA0003395697580000021
2dsinαcosθ＝mλ1 (2)
所述的第一透镜、第二透镜和第三透镜的技术参数及材料见表1，其中t为透镜的厚度，d为光学元件后表面与下一光学元件前表面的距离；
表1
Figure BDA0003395697580000022
有益效果
本发明采用将平面闪耀光栅中心设置在准直镜后焦面上的分光方式，通过透射式准直镜对入射光线进行准直并使返回的光线成像在面阵探测器上，实现成像光谱仪中狭缝的色散分光和成像，避免了高成本的凸面闪耀光栅和凹面闪耀光栅的使用，降低了装调难度，使成像光谱仪结构更加紧凑；通过远心自准直的参数配置实现光谱仪高光谱成像，成像效果好。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图中1.狭缝，21第一透镜，22.第二透镜，23.第三透镜，3.平面闪耀光栅，4.面阵探测器，5.准直镜前焦面，6.准直镜后焦面。
图2、图3和图4分别为分光成像单元对其中三个工作波长λ1，λ2和λ3的成像点列图。图中圆圈表示衍射极限对应的爱里斑。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明，可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。
在本发明的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”、“固定”应做广义的理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况具体理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或者仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”、“下面”包括第一特征在第二特征正下方和斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本实施例的描述中，术语“上”、“下”、“左”、“右”等方位或者位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述和简化操作，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅仅用于在描述上加以区分，并没有特殊的含义。
如图1所示，本发明的中波红外高光谱分光成像单元，包括狭缝1，由第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23组成的准直镜，平面闪耀光栅3；所述的狭缝设置在准直镜前焦面5上，其开口长度方向垂直光轴并平行于以光轴为轴心的圆的切线；平面闪耀光栅3的中心位于准直镜后焦面6上，其角度可根据入射光的波长范围调节；经狭缝1透射的光线经准直镜准直后入射到平面闪耀光栅3，被平面闪耀光栅分光后再返回到准直镜；返回的光线经准直镜后在设置于准直镜前焦面5上的面阵探测器4上成像；狭缝1和面阵探测器4分别位于光轴两侧。
第一透镜21、第二透镜22、第三透镜23和平面闪耀光栅3的中心位于同一光轴上。
所述的第一透镜21为双凸透镜；第二透镜22为弯月负透镜，其面向狭缝的一侧为凹面，面向平面闪耀光栅3的一侧为凸面；第三透镜23为弯月正透镜，其面向狭缝的一侧为凹面，面向平面闪耀光栅3的一侧为凸面。
设入射光的波长范围为λ1～λ3，由准直镜出射并入射到平面闪耀光栅的主光线与光轴间的夹角为θ；平面闪耀光栅的光栅常数为d，工作时的有效衍射级次为m；准直镜的焦距为f；则狭缝的中心到光轴的垂直距离h满足公式(1)，平面闪耀光栅的法线与光轴之间的夹角α满足公式(2)；
Figure BDA0003395697580000041
2dsinαcosθ＝mλ1 (2)
狭缝1所发出光束的主光线入射至第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23组成的准直镜；经第三透镜23出射后指向平面闪耀光栅3的中心。光线被平面闪耀光栅3分光反射后返回准直镜，经准直镜成像到面阵探测器4。
第一透镜21、第二透镜22和第三透镜23的技术参数及材料见表1，其中t为透镜的厚度，d为光学元件后表面与下一光学元件前表面的距离。
表1
Figure BDA0003395697580000051
本发明λ1为3700nm，λ3为4800nm时，对应狭缝1中心到光轴的距离为10mm，面阵探测器4的中心到轴线的距离也为10mm，θ角为20.46°。
由图2、图3和图4可以看出，3700nm波长在全狭缝范围的成像光斑均方根直径小于7μm，4250nm波长在全狭缝范围的成像光斑均方根直径小于2μm，4800nm波长在全狭缝范围的成像光斑均方根直径小于3μm，均小于爱里斑直径。

Claims (3)

1.一种中波红外高光谱分光成像单元，其特征在于：该分光成像单元包括狭缝，由第一、第二和第三透镜组成的准直镜，平面闪耀光栅；所述的狭缝设置在准直镜前焦面上，其开口长度方向垂直光轴并平行于以光轴为轴心的圆的切线；平面闪耀光栅的中心位于准直镜后焦面上，其角度可根据入射光的波长范围调节；经狭缝透射的光线经准直镜准直后入射到平面闪耀光栅，被平面闪耀光栅分光后再返回到准直镜；返回的光线经准直镜后在设置于准直镜前焦面上的面阵探测器上成像；所述的第一透镜为双凸透镜；第二透镜为弯月负透镜，其面向狭缝的一侧为凹面，面向平面闪耀光栅的一侧为凸面；第三透镜为弯月正透镜，其面向狭缝的一侧为凹面，面向平面闪耀光栅的一侧为凸面。
2.根据权利要求1所述的中波红外高光谱分光成像单元，其特征在于：设入射光的波长范围为λ1～λ3，由准直镜出射并入射到平面闪耀光栅的主光线与光轴间的夹角为θ；平面闪耀光栅的光栅常数为d，工作时的有效衍射级次为m；准直镜的焦距为f；则狭缝的中心到光轴的垂直距离h满足公式(1)，平面闪耀光栅的法线与光轴之间的夹角α满足公式(2)；
Figure FDA0003395697570000011
2d sinαcosθ＝mλ1 (2) 。
3.根据权利要求1所述的中波红外高光谱分光成像单元，其特征在于：所述的第一透镜、第二透镜和第三透镜的技术参数及材料见表1，其中t为透镜的厚度，d为光学元件后表面与下一光学元件前表面的距离；
表1
Figure FDA0003395697570000021
CN202111482165.3A 2021-12-07 2021-12-07 一种中波红外高光谱分光成像单元 Withdrawn CN114166347A (zh)

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