用于图像中继装置、高光谱成像仪和摄谱仪的小型光传递系统

摘要

本发明提供一种光传递成像仪，可以合并到高光谱线形扫描仪、摄谱仪或非衍射图像中继装置中，更具体来说，涉及一种具有较之大多数先前设计更容易制造且具有优良成像品质的更简单光学设计的设计。本发明包含一种通用的第一光学组件，用以将入射光传递到狭缝或针孔上；第二光学组件，作为折射校正器操作，将入射光引导到弯曲反射衍射光栅或弯曲镜上，使得光谱色散或反射的光（取决于特定实施例）穿过同一第二光学组件回来，所述第二光学组件将光聚焦到与所述狭缝大概在同一平面中的焦平面阵列上。所述狭缝和PFA优选在折射校正器的光轴的相反侧上对称位移。

说明书

技术领域

本发明总地来说涉及在图像中继装置、高光谱成像仪和摄谱仪中使 用的光传递成像仪的光学设计，更具体来说，涉及一种具有较之大多数 先前设计更容易制造而且具有优良的光谱和空间成像品质的更简单的光 学设计的设计。

背景技术

目前基于“Offner”设计的光传递成像仪往往体积相对很大，而且 难以实现和维持多条光轴对准。

目前基于“Dyson”设计的光传递成像仪设计的体积较小，但是在 后焦距方面受到很大的限制，因而焦平面阵列（focal plane array，FPA） 必须放置在紧靠Dyson光学块的地方，美国专利7,609,381（沃伦 （Warren））中对这一点有过举例说明。因此，需要一种光学成像系统， 其FPA离最近的光学元件的物理间隔更大，因而可以增强与FPA相关的 机械设计的灵活性。

此外，高品质映射和图像中继应用一般需要像素很多的FPA，对于 这样的FPA，Dyson设计的另一个局限是，Dyson块体积很大，因而在 操作之前需要很长时间才能在块内实现和维持热平衡，而且如果完全实 现或维持了热平衡，可能还会导致所得的图像品质降级。

Dyson设计的图像品质还有一个重大的局限是，光通过同一个大的 块在两个方向上传播（对于摄谱仪设计是在衍射之前和之后），使得入射 的光可能在FPA上的Dyson块内和边缘处散射。此外，美国专利 7,609,381(Warren)中举例说明的Dyson设计不可能包含光学挡板来防止 这种散射。这种散射可能对摄谱仪应用是一个严重问题，因为被散射的 入射光是全光谱的，而期望到达FPA的信号是光谱色散的，落在FPA的 不同部分上，每一个信号只具有全光谱谱能量的一小部分。对于一些波 长，散射的光于是可能成为撞击在FPA上的总能量的较大部分。

此外，美国专利7,199,876（米歇尔（Mitchell））和美国专利7,061,611 （米歇尔（Mitchell））举例说明的其它光学设计中合并了一个在狭缝与色 散光栅之间的光学组件，使得穿过狭缝的光变准直，从而可以使用平面 镜、平面反射衍射光栅或平面透射光栅。因为需要使光变准直，所以光 学复杂度更高，而且散射光也会随之增加。

因此，需要一种在狭缝与色散光栅之间的更加简单的光学组件，使 得散射光减少，并且不需要使光变准直。

发明内容

根据本发明，描述了一种小型的光传递传递系统。

本发明的一个目的是提供一种体积较小的光传递系统设计。

本发明的一个目的是提供一种光学设计，可以有效地用于具有大量 像素的FPA，该光学设计包含大格式像素且具有最低限度的色畸变和谱 线弯曲（spectral smile distortion）（对于衍射实施例），适合高品质成像 应用。

本发明的另一个目的是所述光学设计中含有最小量的容易制造的光 学元件。

另一个目的是所述光学设计实现和维持最小限度的谱线弯曲（对于 衍射实施例）和色畸变，并且无需复杂的对准程序。

另一个目的是所述光学设计可以实现优秀的图像品质，包含在用于 高光谱成像设计时对于穿过整个FPA上的所有相关波长在很大程度上是 衍射受限的。

另一个目的是所述光学设计格式非常通用，可以用于从紫外线到热 红外线的不同光谱范围。

另一个目的是从狭缝发出的大部分散射光可以受到阻挡、遮挡或用 其它方式受到限制，不会入射到FPA上。

根据本发明，提供一种光传递装置，其包括：具有一条光轴的光学 系统，用于从光源接收入射光，将光投射到反射曲面上，且用于将从所 述曲面传回的光聚焦到焦平面阵列（FPA）上，其中所述光源和所述FPA 在所述光轴的相反侧上是大体上对称的，且投射到所述反射曲面上的光 和从所述反射曲面传回的光各自穿过相同的光学元件。

在另一实施例中，所述光学系统包含第一和第二折射校正器元件， 其操作地位于所述光源与所述曲面之间，用于将入射光聚焦到所述曲面 上，且将从曲面传回的光聚焦到所述FPA上。

在各个实施例中，所述第一折射校正器元件是面向所述光源的正光 组（positive power lens），且/或第二折射校正器元件是位于所述第一折射 校正器元件与所述曲面之间的负光组（negative power lens）。

优选地，所述折射校正器操作地定位成离所述光源比离所述曲面更 近。

在一个实施例中，从所述光源发出的穿过所述光学系统的光在物理 上与从所述曲面传回的光分开，并且大体上关于所述光轴对称。

在优选实施例中，光不加准直就被传递到所述曲面。

在一个实施例中，所述曲面是一个色散元件，而在另一个实施例中， 所述曲面是非色散镜。

在另一个实施例中，所述光学系统的所述光源是穿过狭缝被接收的， 并且可以包含第一光学系统，用于将光聚焦在在所述狭缝的上游侧。

在另一个实施例中，所述光学系统的所述光源是穿过针孔被接收的， 并且可以包含第一光学系统，用于将光聚焦在在所述针孔的上游侧。

在另一实施例中，所述曲面是衍射光栅，将光谱色散的光引导到FPA 上。

在其它实施例中，所述第一光学系统是将光传递到所述狭缝或针孔 的上游侧的光纤系统。

在其它实施例中，所述FPA具有一条垂直于所述FPA的FPA轴， 并且所述FPA轴相对于所述光轴倾斜。

在其它实施例中，所述第二折射校正器元件包括在同一光学平面上 的彼此邻近的两个球面光学元件，这两个球面光学元件可以沿着同一光 轴彼此隔开。

在其它实施例中，场透镜光学地位于所述FPA与所述第一折射校正 器元件之间。

在另一实施例中，场透镜光学地位于所述狭缝与所述第一折射校正 器元件之间。

在另一实施例中，所述光学系统是由一个或一个以上双透镜光学元 件和一个或一个以上单透镜光学元件组成。

在另一实施例中，所述光学系统是由三个或三个以上单透镜光学元 件组成。

在其它实施例中，所述系统可以包含光学地位于所述光学系统与所 述FPA之间的具有全内反射的折叠镜或棱镜，使得所述FPA定向在不同 于狭缝的平面中，且/或包含光学地位于所述第一光学组件与所述狭缝之 间的具有全内反射的折叠镜或棱镜。

在其它实施例中，所述光学系统具有位于所述光学系统的一个或一 个以上所述表面上的非球形表面。

在各种实施例中，所述光传递系统可具有针对紫外（UV）波长、可 见光和近红外（VNIR）波长、短波红外（SWIR）光谱波长、中波红外 （MWIR）波长、热红外（TIR）波长优化的光学元件和/或针对紫外（UV）、 可见光和近红外（VNIR）、短波IR（SWIR）、中波IR（MWIR）和/或热 IR（TIR）波长的组合或光谱子集优化的光学元件。

在又一实施例中，所述系统可进一步包括光学地连接到所述光传递 系统的光学多路复用系统，其中光穿过不止一个狭缝进入所述光学成像 仪。

附图说明

参照图式说明本发明，其中：

图1是根据现有技术的典型的基于Dyson的摄谱仪设计；

图2是根据本发明的一个实施例的沿着光轴且在平行于光谱色散平 面的平面中的高光谱成像仪的剖面示意图；

图3是根据本发明的一个实施例的展示透镜上的涂层形式的挡板的 高光谱成像仪；

图4是根据本发明的一个实施例的展示与入射光和衍射光的边缘平 行的物理屏障的形式的挡板的高光谱成像仪；

图5是根据本发明的一个实施例的用于具有f2.8光学器件的小型可 见光近红外（VNIR）摄谱仪的高光谱成像仪；

图6是根据本发明的一个实施例的用于具有f2.8光学器件且合并了 位于狭缝与第一光学元件之间的折叠镜的VNIR系统的高光谱成像仪；

图7是根据本发明的一个实施例的合并了位于FPA前方的场透镜且 使用f2.8到f2.5光学器件的高光谱成像仪；

图8是根据本发明的一个实施例的合并了位于狭缝与第一光学元件 之间的场透镜且使用f2.8到f2.5光学器件的高光谱成像仪；

图9是根据本发明的一个实施例的具有f2.8光学器件的具有一个双 透镜光学元件和一个单透镜光学元件的高光谱成像仪；

图10是根据本发明的一个实施例具有三个非常靠近的单透镜且具 有f2.8光学器件的的高光谱成像仪；

图11是根据本发明的一个实施例的用于VNIR到短波红外（SWIR） 光谱范围的具有所有球形表面加上位于两个光学元件之间用于改善校正 的额外分隔的高光谱成像仪；

图12是根据本发明的一个实施例的使用从f2.5到f2.0的光学器件 且使用一个非球形表面的用于VNIR到SWIR的光谱范围的高光谱成像 仪；

图13是根据本发明的一个实施例的用于SWIR光谱范围的具有f2.0 光学器件且合并了一个非球形表面的小型摄谱仪的高光谱成像仪；

图14是根据本发明的一个实施例的使用f1.5的光学器件和一个非 球形表面的用于中波红外（MWIR）光谱范围的高光谱成像仪；

图15是根据本发明的一个实施例的具有f1.5光学器件的用于热红 外（TIR）光谱范围的高光谱成像仪；

图16是根据本发明的一个实施例的使用镜而不是衍射光栅来形成 30mm乘以10mm格式的低失真图像中继且使用f2.8光学器件的光传递 成像仪；且

图17是包含用于物镜组件的机械布局和用于FPA与相关电子器件 的外壳的摄谱仪的实施例。

具体实施方式

参照各图，说明改善的小型光传递成像系统。

在图2到15所示的第一类型的实施例中，改善的系统提供一种具有 一条光轴的光学组件，用于非光谱色散的光的成像功能，该非光谱色散 的光穿过狭缝或针孔进入摄谱仪到达弯曲的反射色散光栅，其中光谱色 散的光随后使用相同的光学组件被聚焦到FPA上。这种方法在很大程度 上减少了谱线弯曲和色畸变，并且这些设计相对于Offner型设计有显著 的优点。

在图16所示的第二图像中继装置的实施例中，提供一种光学组件， 用于使光进入中继装置到达弯曲反射镜上并且随后使用相同的光学组件 使反射的光聚焦到FPA上的二维成像功能。

在每一实施例中，所述改善的光学设计让后焦平面距离实质性增加， 这样FPA就不需要紧靠着光学元件了。因此，可以按照图1所示且按照 下文更详细论述的内容，较之过去的基于Dyson的设计，在光源与第一 光学元件之间实现更大的距离。这些增加的距离让光源与FPA的物理间 隔更大，这对于具有大量像素和/或大格式像素的FPA来说特别有利。此 外，这种设计还改善了对于杂散光的控制，并且可以选择使用折叠镜或 棱镜，其中，这些元件的全内反射就在FPA前面。因此，这些设计可以 提供狭缝与FPA之间更大的物理间隔，从而让摄谱仪或图像中继装置的 物理布局有更大的灵活性。

另外，所述光学设计可以使用透镜和反射性衍射光栅或镜，这些元 件对于许多波长范围全都具有球形表面，这提供了一个优点，就是较之 Dyson类型光学器件需要的非球形表面来说更加容易制造。

下表1和表2中提供了用于VNIR f2.8高光谱实施例（如图1所示） 的光学规定和其它光学参数，并且提供了所属领域技术人员已知的典型 系统的说明。

表1－实例性光学规定

  表面   半径[mm]   厚度[mm]   材料   物镜   无穷大   36.091   空气   1   285.836   13.344   S-FPL51   2   -75.981   0.500   空气   3   81.232   10.710   F2   4   67.425   139.945   空气   光阑   -203.465   -139.945   具有55.5条/mm的衍射光栅   6   67.425   -10.710   F2   7   81.232   -0.500   空气   8   -75.981   -13.344   S-FPL51   9   285.836   -35.519   空气   图像   无穷大   0.000   倾角：-178.94度。

表2－VNIR f2.8实施例的其它光学参数

  狭缝位置   离光轴9.892mm   狭缝长度   30mm   光谱范围   365到1050nm   狭缝图像长度   30mm   光谱图像长度   5.76mm   摄谱仪长度   200mm   f/#   2.8

此外，本发明允许许多设计选择。这些设计尤其包含：

·在可能难以获得透镜的合适光学材料的情况下，针对光谱波长合 并至少一个非球形表面；

·针对所有波长保持球形表面，且在FPA前面，但不是在穿过狭缝 的入射光进入的路径中添加额外的折射校正器透镜元件；

·保持球形表面且包含FPA的倾斜以在所有波长下提供优良的焦 距；以及

·采用高光谱线形成像仪、摄谱仪和图像中继装置的相同基本光学 设计。

此外，根据本发明，因为不再需要使进入狭缝的光变准直，所以与 一些其它类型的摄谱仪和图像中继装置相比，会实质性减少所需要的光 学元件的数目，从而进一步简化对准程序和减少杂散光。

与过去的设计（例如沃伦）对照，优选实施例是由一个面朝狭缝/FPA 的薄（与厚的Dyson和/或修改后的Dyson透镜相比）的正光组和一个位 于正透镜与靠近第一正透镜的光栅之间的一个弱负透镜组成。与Dyson 型光学设计相比，使用较薄透镜意味着，合并阻挡元件以使入射光的分 散最小化更实用，在Dyson型光学设计中使用类似类型的阻挡机构将在 更大的Dyson透镜中产生更显著的应力图像，使得实现均匀折射率的目 标将比本发明中的光学设计受到更大损害。

此外，优选实施例使用围绕光轴几乎对称的狭缝/FPA位移，且还避 免了使用与Dyson设计相关联的厚的初始光学组件，并且因此允许使用 球面透镜，包含光栅，因此与具有与同光轴对准的狭缝相比，使无热问 题最小化同时减少光学象差。

此外，在Dyson设计中，折射校正器组件仅针对球形象差进行校正， 而本发明通过选择折射校正器组件中的透镜的合适焦强和材料，可以校 正增加的横向和轴向色彩、慧形象差、失真和象散。

参照各图说明一般化和更具体的设计。

图2是针对包含狭缝、光学组件（“折射校正器”）和弯曲衍射“光 栅”与焦平面阵列（“FPA”）的摄谱仪的一部分，沿着光轴且在平行于 光谱色散的平面的平面中的VNIR光谱范围的优选实施例的剖面示意 图。所述系统还可包含第一光学系统，其将光聚集到狭缝上，可以是所 属领域的技术人员已知的许多种光学设计中的任一种设计（包含光纤系 统），并且通过使用通常可获得的商用光学建模软件如ZEMAX^TM，可以 容易地加以确定。

穿过两个光学元件的直线代表了所有光学元件的共用光轴。这条共 用光轴产生的热问题很小，通过所属领域的技术人员已知的传统无热设 计方法就能得到解决。

重要的一点是，标的物的设计准许包含更有效的挡板来减少散射的 光。挡板可以放在所有光学表面之间或上面的空间中，这些光学表面不 在入射光或光谱色散光的路径中。此有效挡板无法用Dyson型设计来完 成。

如图3所示，图中展示了一个实施例，其中在除了所期望的光经过 的区域之外的区域上提供了光学元件上的涂层形式的挡板。这些涂层由 图3中的较粗的线示意。

图4展示了合并有与入射光和衍射光的边缘平行的物理挡板的替代 挡板方法的实施例。此挡板将优选包含“齿状”设计以使散射最小化。 所属领域的技术人员知道，可容易设计和/或合并其它类型的挡板。

在优选实施例中，光栅的定向使得零次组件位于狭缝与FPA之间的 区域中，而不是在FPA本身上。可容易将挡板应用于此区域，以防任何 零次撞击到FPA上。

在优选实施例中，FPA还稍微倾斜，以提供更好的象差控制。可容 易通过使用商用光学建模软件如ZEMAX^TM来确定倾斜量。

如图所示，优选实施例展示了30mm焦平面和5.8mm色散。可接 着基于FPA的像素大小来计算光谱带的数目。举例来说，如果像素大小 是20微米，则这准许288个衍射受限光谱带，前提是狭缝尺寸不大于 20微米。更大的狭缝宽度将使光谱分辨率降级，且导致光谱过取样。

如上所述，图1展示了根据现有技术的等效Dyson型摄谱仪，为了 论述和与本发明进行比较，对于相同类型的FPA和相同的5.8mm光谱 色散用相同比例来展示此摄谱仪。重要的是要注意，需要的Dyson光学 块将厚很多，这导致所制造的Dyson设计很难拥有需要的均匀折射率， 特别是对于较大格式的系统。而且，Dyson设计中进行遮挡以减少散射 光的能力减小，并且热化起来慢很多，而且对于热效应更加敏感。

图5展示了与通常可获得的小格式FPA检测器一致的10mm焦平面 和3mm色散的f2.8光学器件的VNIR摄谱仪的更小型设计的实施例。 尺寸较小虽然是个优点，但是被较低的信噪比（SNR）值或更少的光谱 带抵消了。尺寸、SNR和光谱带数目的最优折中，取决于设计的传感器 的具体应用，并且可以由所属领域的技术人员使用商用光学设计软件来 进行。

图6展示了图2的设计的变化形式，其中折叠镜合并在狭缝与第一 光学元件之间。这种设计准许狭缝与FPA有更大的物理间隔和不同的定 向，这样对于需要不同机械布局的一些应用来说可能是优点。

图7展示了图2的实施例，但是有一个另外的场透镜放置在FPA前 面。场透镜可以改善象差校正，而且可以准许光学器件稍微快一些。此 外，光学系统的此额外复杂性和象差与光学速度方面的改善之间的最优 平衡，取决于设计系统的具体应用，而且可以使用商用的光学设计软件 来容易地确定。

图8展示了类似于图7所示的实施例，但是场透镜放置在狭缝与第 一光学元件之间。

图9展示了有一个双透镜和一个单透镜的实施例。当光学材料的选 择更有限时，本实施例的优点就会体现出来。所属领域的技术人员使用 商用光学设计软件可以容易地评估和模拟不同光学材料的效果。两个光 学元件间隔更大，可以在对光学象差的控制方面有额外的灵活性。

图10展示了合并三个非常靠近的单透镜光学元件的实施例。特别是 在对材料的选择更加有限时，这种设计在象差控制方面具有与图9所示 相同的设计特性。

图11展示了在具有所有具有f2.5光学器件的球形表面的VNIR和 SWIR上的光谱范围的实施例。两个元件隔开一段很小的距离（与离衍 射光栅的距离相比），从而改善在这个更宽的光谱范围上的象差校正。如 果光学材料的选择更有限，那么可以增加光学元件的分隔距离。所属领 域的技术人员使用商用光学设计软件可以容易地评估和模拟不同光学材 料的效果。

图12展示了类似于图11所示的实施例的在VNIR和SWIR上的光 谱范围的实施例，但是是使用一个非球形表面而不是光学元件之间的物 理间隔。使用非球形表面可以让光学系统更快。所展示的实施例具有f2.0 光学器件，具有在2.5微米衍射极限的光学器件。

图13展示了SWIR光谱范围的小型摄谱仪的实施例，其合并了一个 图中指示的非球形表面，可以实现更加小型的设计。

图14展示了使用f1.5光学器件和一个非球形表面的MWIR光谱范 围的实施例。通常在MWIR中使用的材料的选择更加有限，因此MWIR 光谱范围的优选实施例合并了非球面（或者上文在图7、8、9和10中展 示的其它一种象差最小化技术）。

图15展示了具有1.5光学器件的热红外（TIR）光谱范围的实施例。 所属领域的技术人员众所周知的适当材料可以在TIR中获得，从而通常 不需要用非球形表面来实现最小象差。

图2到14中展示的所有实施例将优选地包含上述倾斜的FPA以减 少光学象差。针对图15所示的TIR设计，TIR光谱范围的光学设计中光 谱带的数目通常较小，这是因为SNR方面的考虑，而且这种较小的色散 可以使用不倾斜的FPA。不倾斜的FPA设计意味着可以合并申请人的共 同待决的申请案11/708,536（现在是美国专利7,884,931，且以引用的方 式并入本文中）中所述的光学多路复用。TIR光谱范围中通常使用的较 小色散使得零次可以落在与从通过两个狭缝（在双重光学多路复用系统 中）传入的光产生的两个一次色散分开的FPA的一部分上。这种分隔准 许从光学多路复用设计中的第二狭缝进入的第二组一次色散光落到FPA 的单独区域上。如果色散同样受到限制，所述光学多路复用设计还可用 于比TIR短的波长。色散量与用光学多路复设计实现的较宽条带（或其 它视场定向）之间的折中，取决于传感器设计的具体应用。

图2到15中所述的所有实施例具有衍射受限的光学设计。如上所述， 还可设计衍射不受限的实施例。虽然这些实施例一般是不合意的，但是 它们有可能在较大的温度范围下操作，这是因为热效应会被较低的空间 和光谱分辨率掩盖。

所有图示的实施例都具有所属领域的技术人员已知的光学材料，并 且总体上经过选择能优化光谱透射，从而提供最大的SNR。图示的实施 例还可提供小于约1微米的色畸变和谱线弯曲象差。还可使用具有较低 透射但是具有优良的象差控制的材料。如果在亚微米范围内的象差需要 特定应用，则使用这类材料可能是有利的。可通过使用ZEMAX^TM或其 它类似的软件为不同材料的效果建模来选择所用的材料。

图16展示了移除了狭缝并且用镜子取代衍射光栅的实施例。这个实 施例的优点与Dyson设计的摄谱仪实施例相同，包含失真低、尺寸小、 光学材料的选择灵活、对于杂散光的遮挡效果优良，而且FPA与光学元 件之间的后焦距较大。图16的实施例成为二维图像中继装置，功能类似 于合并了Dyson或Offner设计的图像中继装置。这些中继装置用于例如 光刻等应用。

图17展示了包含用于物镜组件的机械布局和用于FPA和相关电子 器件的外壳的摄谱仪的实施例。在摄谱仪的透镜与第一光学组件之间添 加折叠镜，可以让用于整个传感器系统的机械布局有额外的灵活性。

虽然已参阅优选实施例及其优选用途对本发明进行描述和说明，但 本发明并不限于此，因为可对其做出各种修改和变化，而这些修改和变 化在本发明的完整、预期的范围内。