CN103822712B - 一种基于Wollaston棱镜分光的成像方法及成像光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于Wollaston棱镜分光的成像方法及成像光谱仪，其中，基于Wollaston棱镜分光的成像方法包括：光经过第一个偏振片改变光线偏振方向再通过第一个Wollaston棱镜分光得到两束光，直到经过第n个偏振片改变光线偏振方向再通过第n个Wollaston棱镜分光得到2ⁿ束光，n取值为2或3；所述2ⁿ束光通过成像镜再经过镀膜玻璃板补偿光程后在探测器成像。基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪，该结构共轴光路、稳定性高、能量利用率高、成像质量好，适用于生物医学、食品快速检测等民用领域。

Description

一种基于Wollaston棱镜分光的成像方法及成像光谱仪

技术领域

本发明涉及光学技术领域，尤其涉及一种基于Wollaston棱镜分光的成像方法及成像光谱仪。

背景技术

成像光谱技术集光学、光谱学、精密机械、电子技术及计算机技术于一体，是在多学科交叉融合基础上的创新。成像光谱仪能够获得被测目标的两维空间信息和一维光谱信息的“图谱合一”的光学遥感仪器，得到的图像数据被称为“数据立方体”（Data Cube），是一类新型的多维信息获取技术。因其获得的光谱数据信息量丰富，在航空航天遥感、军事应用、科学实验、天文观测、环境监测、灾害评估、资源勘测、生物医学等领域得到了广泛的应用。

一束单色自然光入射在各向同性介质界面时，按照折射定律，折射光只有一束，而当光束入射在各向非同性的晶体表面上折射时，能够有两束折射的线偏振光出射，这种现象称为双折射。晶体中的两束折射光中，一束的折射行为遵行折射定律，即不论入射光的入射角如何，折射光总在入射面内，且入射角的正弦和折射角的正弦之比为常数，称这束光为寻常光（o光）；另一束折射光，一般情况下，入射角的正弦与折射角的正弦之比不是常数，且折射光往往不在入射面内，即不遵守折射定律，称之为非常光（e光）。

一个Wollaston棱镜可将一束入射光线分成沿不同方向传播的两束光线，在第一块棱镜中，o、e光线沿相同路径传播，在进入第二块棱镜后，两光线分开，在出射面上两光线夹角进一步增大。由于两块棱镜的光轴相互垂直，在第一块棱镜中的o光在第二块棱镜中则成为e光，第一块棱镜中的e光在第二块棱镜中则成为o，出射的oe光和eo光之间有一定夹角。

现有的成像光谱仪运用Wollaston棱镜达到光束剪切的目，没有考虑到Wollaston棱镜的分光特性。

发明内容

本发明实施例的目的是提供一种基于Wollaston棱镜分光的成像方法及成像光谱仪，实现一次曝光获得多幅不同波长的同一空间信息图像。

本发明实施例的目的是通过以下技术方案实现的：

一种基于Wollaston棱镜分光的成像方法，包括：

光经过第一个偏振片改变光线偏振方向再通过第一个Wollaston棱镜分光得到两束光，直到经过第n个偏振片改变光线偏振方向再通过第n个Wollaston棱镜分光得到2ⁿ束光，n取值为2或3；

所述2ⁿ束光通过成像镜再经过镀膜玻璃板补偿光程后在探测器成像。

一种基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪，包括：

包括第一个偏振片、第一个Wollaston棱镜、第n个偏振片、第n个Wollaston棱镜、成像镜以及镀膜玻璃板，n取值为2或3：

光经过所述第一个偏振片改变光线偏振方向再通过所述第一个Wollaston棱镜分光得到两束光，直到经过所述第n个偏振片改变光线偏振方向再通过所述第n个Wollaston棱镜分光得到2ⁿ束光；

所述2ⁿ束光通过所述成像镜再经过所述镀膜玻璃板补偿光程后在探测器成像。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，基于Wollaston棱镜分光的成像方法及成像光谱仪，利用Wollaston棱镜的分光特性，实现一次曝光获得多幅不同波长的同一空间信息图像，结构共轴光路、稳定性高、能量利用率高、成像质量好，适用于生物医学、食品快速检测等民用领域。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例提供的基于Wollaston棱镜分光的成像方法的流程示意图。

图2为本发明实施例提供的基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪的光路原理示意图。

图3为本发明实施例提供的基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪的Wollaston棱镜分光结构示意图。

图4为本发明实施例提供的基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪的光学结构示意图。

图5为本发明实施例提供的基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪的传递函数曲线示意图。

图6为本发明实施例提供的基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪的成像分布示意图。

具体实施方式

下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。

本发明实施例的基于Wollaston棱镜分光的成像方法及成像光谱仪，提供一种新型的快照式成像方法及光谱仪，利用Wollaston棱镜的分光特性，实现一次曝光获得多幅不同波长的同一空间信息图像。

如图1所示，本发明实施例提供一种基于Wollaston棱镜分光的成像方法，包括：

步骤11、光经过第一个偏振片改变光线偏振方向再通过第一个Wollaston棱镜分光得到两束光，直到经过第n个偏振片改变光线偏振方向再通过第n个Wollaston棱镜分光得到2ⁿ束光，n取值为2或3；

步骤12、所述2ⁿ束光通过成像镜再经过镀膜玻璃板补偿光程后在探测器成像。

由上述本发明实施例提供的技术方案可以看出，利用Wollaston棱镜的分光特性，实现一次曝光获得多幅不同波长的同一空间信息图像。结构共轴光路、稳定性高、能量利用率高、成像质量好，适用于生物医学、食品快速检测等民用领域。

目前，n取值为2或3，n取值为2，则实现一次曝光获得4幅不同波长的同一空间信息图像。n取值为3，则现一次曝光获得8幅不同波长的同一空间信息图像。

如图2所示基于Wollaston棱镜分光的成像方法的光路原理示意图：平行光经前置镜21汇聚，进过准直镜22平行出射，经过分光元件23，分光元件如棱镜或者光栅，分光后通过成像镜24在探测器25的探测面成像。

本发明实施例基于Wollaston棱镜分光的成像方法，一个Wollaston棱镜可将一束入射光线分成沿不同方向传播的两束光线，则可以通过增减Wollaston棱镜实现分束不同，Wollaston棱镜个数为n时，分束为2ⁿ。

本发明实施例基于Wollaston棱镜分光的成像方法，一个Wollaston棱镜可将一束入射光线分成沿不同方向传播的两束光线，在第一块棱镜中，o、e光线沿相同路径传播，在进入第二块Wollaston棱镜后，两光线分开，在出射面上两光线夹角进一步增大。由于两块Wollaston棱镜的光轴相互垂直，在第一块Wollaston棱镜中的o光在第二块Wollaston棱镜中则成为e光，第一块Wollaston棱镜中的e光在第二块Wollaston棱镜中则成为o，出射的oe光和eo光之间有一定夹角。

双折射晶体的棱镜结构可以实现对光束的分光，本发明实施例基于Wollaston棱镜分光的成像方法中，何一个Wollaston棱镜都是由两块光轴相互垂直、结构相似的光楔组成。

如图3所示，光楔为具有一定夹角的三角棱镜，光楔的材料为冰洲石。所述2个光楔胶合在一起，2个光楔的光轴互相垂直，光楔夹角α，夹角β，α=β，光束经过棱镜之后分开为一定角度、振动方向垂直的两束线偏振光，分开角度假设为Φ（光线偏离水平位置的角度），近似为2φ=2arcsin[(no-ne)tanα]，no指光楔晶体对常光o光的折射率，ne指光楔晶体对非常光e光的折射率。根据2Φ=2arcsin[（no-ne）tanα]，以此为依据选定棱镜倾角。

如图3所示三维坐标（X,Y,Z），双箭头指晶体光轴方向。

仍参考图3所示三维坐标（X,Y,Z），示例性的，n取值为2时，基于Wollaston棱镜分光的成像方法的主要技术指标为：相对孔径为3，视场角为4°，放大率1:1，工作波长在500nm～650nm范围内，Wollaston棱镜的参数如表1所示。

表1:

面	绕X轴旋转/°	绕Y轴旋转/°	玻璃材料	厚度/mm
					第一个Wollaston棱镜	-30	0	冰洲石	20
第二个Wollaston棱镜	0	15	冰洲石	20

为使得在探测器面阵充分利用，将第一个Wollaston棱镜与第二个Wollaston棱镜垂直放置，使得分光为二维分布。

两维的图像复分分布，需要两个Wollaston棱镜倾斜角是两个方向的。仍参考图3，即第一个Wollaston棱镜为XY平面倾斜的α角度为平面绕X轴旋转，第二Wollaston棱镜为XY平面绕Y轴旋转。

本发明实施例基于Wollaston棱镜分光的成像方法，Wollaston棱镜用于平行光路中，光学系统为小焦距，中等视场的共轴光路，便于棱镜的装调。

系统的设计满足物方、像方远心光路条件，容易满足光瞳衔接原则，方便与其他镜组的匹配。

冰洲石作为双折射晶体，常用于可见光部分，因其具有很高的双折射能力，并且具有很低的色散能力。

Wollaston棱镜是由两块材料相同的冰洲石胶合而成，其光轴互相垂直，这种棱镜允许入射光从左、右任何一方射入棱镜。

Wollaston棱镜可以对自然光实现分光，但是不能对单一偏振态的光线进行分光，在多个棱镜组成的光束分离器中，需要在棱镜之间放置光学波片，使得进入棱镜的光线存在两个相互垂直的偏振态。

对应上述基于Wollaston棱镜分光的成像方法，本发明实施例提供一种基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪，包括第一个偏振片、第一个Wollaston棱镜、第n个偏振片、第n个Wollaston棱镜、成像镜以及镀膜玻璃板，n取值为2或3：

光经过所述第一个偏振片改变光线偏振方向再通过所述第一个Wollaston棱镜分光得到两束光，直到经过所述第n个偏振片改变光线偏振方向再通过所述第n个Wollaston棱镜分光得到2ⁿ束光；

所述2ⁿ束光通过所述成像镜再经过所述镀膜玻璃板补偿光程后在探测器成像。

示例性的，如图4所示，n取值为2时，说明基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪：

光辐射对无穷远处物体经过前置物镜41成像于一次像面，从准直镜42平行出射后经过偏振片43起偏，经过Wollaston棱镜44分光，然后再经过偏振片45改变光线偏振方向，经过Wollaston棱镜46分光，通过成像镜47，再经过一个补偿光程的镀膜玻璃板48成像在面阵探测器49上。

其中，Wollaston棱镜可以对自然光实现分光，但是不能对单一偏振态的光线进行分光，在多个棱镜组成的光束分离器中，需要在棱镜之间放置光学波片（如偏振片），使得进入棱镜的光线存在两个相互垂直的偏振态。

其中，为使得在探测器面阵充分利用，可以将Wollaston棱镜44与Wollaston棱镜46垂直放置，使得分光为二维分布。

其中，在波长范围内，如500nm～650nm范围，镀膜玻璃板根据选取的四个波长信息，经过计算得出需要补偿的光程距离，确定玻璃平板在四个波长区域的不同厚度，在此区域镀上多层增透膜，即得到镀膜玻璃板48。

具体的，以中心波长为基准，中心波长处玻璃厚度为d_λ0，根据以下公式计算中心波长外玻璃厚度值，以使得成像面为探测器平面。

Δl’=d(1-1/n_λ)

其中：d为平板玻璃厚度，n_λ为平板玻璃在波长λ处的折射率，Δl’为在近轴区域内，经过厚度为d的平板玻璃后轴向位移。不同波长成像区域选用不同玻璃厚度，以保证该元件各个位置到探测器的距离即Δl’相同。

其中，面阵探测器49接收到的是多幅不同波长的同一空间信息图像。

前置物镜、准直镜、偏振片、成像镜以及面阵探测器可以参考现有技术得以理解，在此不作赘述。

图5是本发明实施基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪的典型波长在全视场的传递函数，从图5中可以看出，各个波长在耐奎斯特频率以内的成像质量均接近衍射限。

图6是本发明实施例基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪的成像分布示意图。其中，图中的长方形为通过棱镜之后，同一空间区域不同视场不同波长的同景物图。

本发明实施例基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪，Wollaston棱镜用于平行光路中，光学系统为小焦距，中等视场的共轴光路，便于棱镜的装调。

系统的设计满足物方、像方远心光路条件，容易满足光瞳衔接原则，方便与其他镜组的匹配。

冰洲石作为双折射晶体，常用于可见光部分，因其具有很高的双折射能力，并且具有很低的色散能力。

Wollaston棱镜是由两块材料相同的冰洲石胶合而成，其光轴互相垂直，这种棱镜允许入射光从左、右任何一方射入棱镜。

综合上述描述，本发明实施例基于Wollaston棱镜分光的成像方法及光谱仪具有以下优点：

无运动部件，结构紧凑，系统稳定性好，可靠性高；

一个探测器上，一次曝光可以直接获得多幅不同波长的空间信息图像；

Wollaston棱镜用于平行光路中，易于装调，便于加工实现；

在紫外、可见光、近红外甚至中波红外谱段可以使用，应用广泛。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种基于Wollaston棱镜分光的成像方法，其特征在于，包括：

光经过第一个偏振片改变光线偏振方向再通过第一个Wollaston棱镜分光得到两束光，直到经过第n个偏振片改变光线偏振方向再通过第n个Wollaston棱镜分光得到2ⁿ束光，n取值为2或3；

所述2ⁿ束光通过成像镜再经过镀膜玻璃板补偿光程后在探测器成像；

其中，任何一个所述Wollaston棱镜包括2个材料相同的光楔，所述2个光楔胶合在一起；所述2个光楔的光轴互相垂直，其中一个光楔的角度α，另一个光楔的角度β，α＝β，满足2φ＝2arcsin[(no-ne)tanα]，no表示光楔晶体对常光o光的折射率，ne表示光楔晶体对非常光e光的折射率，φ表示光线偏离水平位置的角度；

所述第一个Wollaston棱镜与第二个Wollaston棱镜均垂直放置，所述第一Wollaston棱镜绕X轴旋转角度为-30，所述第二Wollaston棱镜绕Y轴旋转角度为15；所述第一Wollaston棱镜与第二Wollaston棱镜的厚度均为20mm；

在波长范围内，镀膜玻璃板根据选取的2ⁿ个波长信息，经过计算得出需要补偿的光程距离，确定玻璃平板在2ⁿ个波长区域的不同厚度，在此区域镀上多层增透膜。

2.根据权利要求1所述的基于Wollaston棱镜分光的成像方法，其特征在于，所述光楔的材料为冰洲石。

3.一种基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪，其特征在于，包括第一个偏振片、第一个Wollaston棱镜、第n个偏振片、第n个Wollaston棱镜、成像镜以及镀膜玻璃板，n取值为2或3：

光经过所述第一个偏振片改变光线偏振方向再通过所述第一个Wollaston棱镜分光得到两束光，直到经过所述第n个偏振片改变光线偏振方向再通过所述第n个Wollaston棱镜分光得到2ⁿ束光；

所述2ⁿ束光通过所述成像镜再经过所述镀膜玻璃板补偿光程后在探测器成像；

其中，任何一个所述Wollaston棱镜包括2个材料相同的光楔，所述2个光楔胶合在一起；所述2个光楔的光轴互相垂直，其中一个光楔的角度α，另一个光楔的角度β，α＝β，满足2φ＝2arcsin[(no-ne)tanα]，no表示光楔晶体对常光o光的折射率，ne表示光楔晶体对非常光e光的折射率，φ表示光线偏离水平位置的角度；

所述第一个Wollaston棱镜与第二个Wollaston棱镜均垂直放置，所述第一Wollaston棱镜绕X轴旋转角度为-30，所述第二Wollaston棱镜绕Y轴旋转角度为15；所述第一Wollaston棱镜与第二Wollaston棱镜的厚度均为20mm；

在波长范围内，镀膜玻璃板根据选取的2ⁿ个波长信息，经过计算得出需要补偿的光程距离，确定玻璃平板在2ⁿ个波长区域的不同厚度，在此区域镀上多层增透膜。

4.根据权利要求3所述的基于Wollaston棱镜分光的成像光谱仪，其特征在于，所述光楔的材料为冰洲石。