轻小型可见及近红外实时成像光谱仪的光学系统设计

简介：
本研究针对轻小型可见及近红外实时成像光谱仪进行光学系统创新设计，旨在优化其体积、重量和性能，适用于环境监测、农业等领域。 为解决传统成像光谱仪难以实时获取光谱与图像信息的问题，设计了一款可见近红外宽谱段视频型成像光谱仪系统。该系统采用多狭缝分光技术对目标的光谱图像进行区域划分，替代传统的推帚式成像方式，实现大视场内的高维空间和时间分辨率采集。通过使用低色散光学玻璃及双胶合透镜来矫正宽谱段光学系统的像差。 前置望远物镜系统采用了复杂的双高斯结构设计，以达到小畸变效果，并确保不同视场狭缝处的能量均匀分布。为了同时获取高质量的实时视频监控和光谱信息，该系统利用分光棱镜将前置望远物镜形成的图像分为两路：一路直接由高分辨率全色相机接收；另一路由灰度相机通过进入分光系统来捕捉。 经过精心选择材料组合与光线路径优化设计后，采用三块棱镜作为主要的分光元件，并实现了理想的萤石-熔石英-萤石组合。这种配置不仅保证了良好的同轴性能，还提供了出色的色散线性度。光学系统的最终设计参数为400~1000 nm宽谱段范围、F数3.5以及前置望远物镜奈奎斯特频率处的调制传递函数（MTF）大于0.5，畸变小于0.1%，像面照度均匀性超过98%。整个系统的奈奎斯特频率处设计MTF值高于0.44，并且平均光谱分辨率达到了10 nm。