微型可见/近红外实时成像光谱仪的光学系统创新设计

本文主要探讨了轻小型可见/近红外实时成像光谱仪的光学系统设计，针对传统成像光谱仪在实时光谱和图像获取方面的局限性，提出了一种创新的解决方案。该设计的核心在于采用多狭缝分光成像技术，将大视场光谱图像进行区域化处理，取代传统的推帚型设计，以实现更高效的实时光谱成像。 光学系统的关键组成部分包括：低色散光学玻璃和双胶合透镜用于校正宽谱段下的像差，确保成像质量；前置望远物镜系统采用了双高斯结构，旨在减少畸变并实现不同视场狭缝处的能量均匀分布，这对于保证图像的稳定性至关重要。系统通过分光棱镜将光路一分为二，一方面，高分辨率全色相机直接接收，提供高空间分辨率的实时视频监控；另一方面，灰度相机则接收经过分光处理的部分，确保光谱分辨率的提升。 设计中特别强调了对分光元件的选择和优化，通过萤石-熔石英-萤石的理想棱镜组合，实现了光路同轴性和良好的色散线性度，这有助于减少光的失真和提高光谱分析的准确性。最终，设计的目标光谱范围被设定在400~1000纳米，焦距F数为3.5，前置望远物镜的奈奎斯特频率处的调制传递函数（MTF）超过0.5，表明其具有很高的成像性能。畸变控制在0.1%以下，而像面照度均匀性高达98%，显示了出色的光强度分布一致性。 整个系统在奈奎斯特频率处的MTF值大于0.44，这意味着在不同频率范围内，系统的成像清晰度保持较高水平。平均光谱分辨率被设定为10纳米，这意味着能够精细地解析出宽谱段内的细微光谱特征，这对于许多应用领域，如环境监测、工业检测、生物医学等都具有重要意义。 本文的光学系统设计为实现轻小型、高性能的可见/近红外实时成像光谱仪提供了关键的技术支持，有望推动光谱学领域的实时成像技术向前发展。