CN113108906B - 一种高数值孔径成像光谱仪及其成像方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种高数值孔径成像光谱仪及其成像方法。长入射狭缝获取入射的远心光线，依次经弯月透镜光轴一侧的内表面、外表面，折射后的光线由球面反射镜反射，汇聚光束入射到位于弯月透镜外表面中心处的全息衍射光栅上，分光后的发散光束经自由曲面反射镜进行几何像差补偿后反射，再依次经弯月透镜光轴另一侧的外表面、内表面，在像平面上得到低像散宽视场高光谱分辨率的像。本发明提供的成像光谱系统具有宽视场、高分辨率、低像散、低光谱弯曲和低色畸变的特点，同时具有高数值孔径，集光本领强，且较好的控制了全波段全视场像差，光谱分辨率较高，并实现了极低的光谱弯曲和色畸变，满足宽视场、高分辨率、紧凑体积的遥感探测应用需求。
Description
技术领域
本发明属于光谱成像技术领域，特别涉及一种包含自由曲面的宽视场、高数值孔径、低像散成像光谱仪及其成像方法。
背景技术
宽视场、高分辨率成像光谱技术在精细农业、林业资源调查、火灾预警、水资源污染、矿物勘探等领域有着广阔的应用需求。Offner分光成像系统是使用较为广泛的一种结构，由于光栅的衍射分光破坏了Offner结构的完美对称性，在短狭缝和低数值孔径时像差不大。然而，宽视场和高分辨率成像光谱系统需同时具有长狭缝和高数值孔径，几何像差尤其是像散随狭缝和数值孔径的增大而急剧增加，因此传统Offner结构的成像光谱系统难以同时兼顾宽视场和高分辨率的应用需求。目前，主要的消像差方法是将经典 Offner 分光装架的凹球面反射镜拆分成两块非共面反射镜，并轻微离轴和倾斜，打破原有的同心性，增加设计自由度，通过调整两球面镜的半径比以及倾斜角度可以消除部分像差，但是该方法的消像差效果不明显，增大了系统体积，设计参数并不能满足宽视场高数值孔径的应用需求。本发明将自由曲面反射镜应用于Offner结构分光成像系统，利用其面型的自由度可以校正由于光栅分光破坏系统对称结构引入的像差，同时减小体积。现有技术中，文献《Broadband astigmatism-free Offner imaging spectrometer with high resolution》（applied optics，2020, 59，No.4,Jing Lin, Su Wu, Lei Yu）报道了通过调整两球面镜的半径比以及倾斜角度消除部分像差的技术方案，其数值孔径为0.17，F数为3，狭缝长度为12mm，光谱分辨率为3nm，均方根RMS半径最大为5μm，体积较大。
在本发明作出之前，中国发明专利CN 208902264U发布了一种基于自由曲面及曲面棱镜的成像光谱仪光学系统，其采用了两片自由曲面反射镜，曲面棱镜前后表面为偏轴偏心设置，结构复杂；受限于棱镜的分光能力，光谱通道数为100个。中国实用新型专利CN206469982 U公开了一种凸面光栅Offner-Wynne型分光装置，其狭缝长度达到了100mm，满足了宽视场的应用需求，F数为6.75，即数值孔径仅为0.08。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种具有视场大，数值孔径高，像散低，畸变低，结构简单紧凑，光谱分辨率高的高数值孔径成像光谱仪及其成像方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为提供一种高数值孔径成像光谱仪，它的光学系统包括弯月透镜、全息衍射光栅、球面反射镜和自由曲面反射镜；
所述弯月透镜弯向光线入射方向，弯月透镜的内表面、外表面为球面，内、外表面的曲率半径之比K1为0.7≤K1≤0.9；入射狭缝和像平面位于弯月透镜的内表面一侧，球面反射镜和自由曲面反射镜位于弯月透镜的外表面一侧；入射狭缝和球面反射镜位于弯月透镜光轴的一侧，自由曲面反射镜和像平面位于弯月透镜光轴的另一侧；全息衍射光栅以弯月透镜的外表面为基底制作，位于弯月透镜外表面的中心处，光栅槽型为等间距直线型或曲线型槽；
所述入射狭缝的长度S为20mm≤S≤35mm；
所述球面反射镜与弯月透镜共轴同心，球面反射镜与弯月透镜后表面的曲率半径之比K2为2≤K2≤3；
所述自由曲面反射镜（5）的面型Z为XY多项式，方程式为：
其中，R=-96.852，C1 =-2.947×10-3，C2=-3.000×10-4，C3=-0.055，C4=-0.096，C5=-2.277×10-4，C6=-0.069，C7=-3.002×10-4，C8=-0.033，C9=-6.111×10-3，C10=1.236×10-3，C11=-0.029，C12=1.253×10-5，C13=-0.016，C14=-3.306×10-3，C15=0.030。
本发明所述的一种高数值孔径成像光谱仪，其光学系统的F数的取值范围为1.7﹤F﹤2.5；光学系统的总长L为90mm≤L≤110mm；光学系统的数值孔径NA为0.2≤NA≤0.3。
本发明所述的一种高数值孔径成像光谱仪，其球面反射镜和自由曲面反射镜镀有高反射率膜；线阵CCD传感器的成像面位于像平面上。
本发明技术方案还包括提供一种高数值孔径成像光谱仪的成像方法，长度S为20mm≤S≤35mm的入射狭缝获取入射的远心光线，依次经弯月透镜光轴一侧的内表面、外表面，折射后的光线由球面反射镜反射，光束汇聚入射到位于弯月透镜外表面中心处的全息衍射光栅上，经光栅分光后的发散光束依次经自由曲面反射镜进行几何像差补偿后反射，经过像差平衡后的汇聚光线再依次经弯月透镜光轴另一侧的外表面、内表面，折射光线成像于像平面，得到低像散宽视场高光谱分辨率的像。
本发明的原理是：由于光栅的衍射分光破坏了Offner结构的完美对称性，因此，传统的Offner型光谱成像系统存在较大的像散和畸变，很难同时实现长入射狭缝和高数值孔径。本发明采用基于Wynne-Offner装置的折反式光路，在传统Offner结构下加入一片弯月透镜，扩大最佳成像区域范围，有效改善了传统Offner光谱仪的像散随狭缝增长而急剧增大现象，实现长狭缝的光谱成像；还由于使用XY多项式面型的自由曲面反射镜替代传统的球面反射镜，利用其光学自由度平衡残余像差，由于光栅分光导致系统结构不对称而引起的残余像差，实现高数值孔径，从而提高光谱成像系统的集光能力及光谱分辨率，满足宽视场、高光谱分辨的应用需求。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明的反射镜面采用的是XY多项式的自由曲面，有助于校正由于光栅分光不对称性引入的像差，减小传统Offner结构在高数值孔径、长入射狭缝时引入的较大像散，能在遥感探测领域获得更高的光谱分辨率。
2.本发明提供的光谱成像系统，通过引入弯月透镜，扩大经典Offner装架最佳成像区域范围，且凸面全息光栅以弯月透镜为基底，具有宽视场，结构紧凑，便于安装固定等诸多优点，满足宽视场、高数值孔径、低像差的遥感探测需求。
3.本发明提供的光谱成像系统，光谱分辨率相对较高，优于1nm，谱线弯曲（smile）小于0.3μm，色畸变（keystone）小于0.4μm，全工作波段最大RMS光斑半径小于1.2μm，像散低于4μm，满足高质量的遥感探测需求。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种成像光谱仪的光学系统结构示意图；
图2是本发明一个实施例提供的成像光谱仪的场曲、像散曲线图；
图3是本发明一个实施例提供的成像光谱仪的全波段传递函数曲线MTF曲线图；
图4是本发明一个实施例提供的不同视场中全视场全工作波段的RMS光斑半径曲线图；
图中，1.入射狭缝；2.弯月透镜；21.弯月透镜的内表面；22.弯月透镜的外表面；3.球面反射镜；4.全息衍射光栅；5.自由曲面反射镜；6.像面（线阵CCD传感器）。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。
实施例1
参见附图1，它是本实施例提供的成像光谱仪的光学系统结构示意图，它的光学系统的元件主要包括弯月透镜2、全息衍射光栅4、球面反射镜3和自由曲面反射镜5；其具体的结构为：弯月透镜2弯向光线入射方向，其内表面21、外表面22为球面；入射狭缝1和像平面6位于弯月透镜的内表面21一侧，球面反射镜3和自由曲面反射镜5位于弯月透镜的外表面22一侧；入射狭缝1和球面反射镜3位于弯月透镜光轴的一侧，自由曲面反射镜5和像平面6位于弯月透镜光轴的另一侧；全息衍射光栅4位于弯月透镜2的外表面中心处，全息衍射光栅4以弯月透镜的外表面22为基底制作，两工作面重合且曲率半径一致，光栅槽型为等间距直线型或曲线型槽。线阵CCD传感器的成像面位于像平面上。
本实施例提供的成像光谱仪其性能参数满足表1的条件。
表1
| 光谱范围 | 0.5μm～1μm |
| 数值孔径 | 0.2 |
| 工作F数 | 2.5 |
| 像平面色散宽度 | 4.6mm |
| 狭缝长度 | 20mm |
| 光谱分辨率 | 1nm |
| 谱线弯曲（smile） | 0.3μm |
| 色畸变（keystone） | 0.4μm |
本实施例各光学元件（面）满足表2的条件。
表2：
本实施例中，入射狭缝的长度S为20mm≤S≤35mm，入射狭缝的长度方向与全息衍射光栅的刻线方向均垂直于纸面；球面反射镜与弯月透镜共轴同心，弯月透镜的内、外表面的曲率半径之比K1为0.7≤K1≤0.9，球面反射镜与弯月透镜外表面的曲率半径之比K2为2≤K2≤3；自由曲面反射镜的面型Z为XY多项式，方程式为：
其中，R=-96.852，C1 =-2.947×10-3，C2=-3.000×10-4，C3=-0.055，C4=-0.096，C5=-2.277×10-4，C6=-0.069，C7=-3.002×10-4，C8=-0.033，C9=-6.111×10-3，C10=1.236×10-3，C11=-0.029，C12=1.253×10-5，C13=-0.016，C14=-3.306×10-3，C15=0.030。
球面反射镜和自由曲面反射镜镀有高反射率膜。
本发明提供的成像光谱仪光学系统的F数的取值范围为1.7﹤F﹤2.5；光学系统的总长L为90mm≤L≤110mm；光学系统的数值孔径NA为0.2≤NA≤0.3，
本发明提供的成像光谱仪的成像方法为：长入射狭缝获取入射的远心光线依次经弯月透镜2光轴一侧的内表面21、外表面22，折射后的光线再由球面反射镜3反射，光束汇聚入射到位于弯月透镜2的外表面中心处的全息衍射光栅4上，经光栅分光后的发散光束再依次经自由曲面反射镜5进行几何像差补偿后反射，经过像差平衡后的汇聚光线再依次经弯月透镜2光轴另一侧的外表面22、内表面21，折射光线成像于像平面6，得到低像散宽视场高光谱分辨率的像。
参见附图2，它是本实施例提供的成像光谱仪的场曲像散曲线图，图中，横坐标表示场曲像散值，纵坐标是归一化视场，图中的两条曲线，图中虚线曲线和实线曲线分别表示弧矢和子午两个面内的场曲，由图2结果可知，成像系统有效的校正了像散和场曲，使得两曲线之间的差值即像散值在像差容限范围内。
参见附图3，它是本实施例提供的成像光谱仪的全波段传递函数曲线MTF曲线图；图中，（a）图，（b）图和（c）图分别是本实施例提供的分光成像系统在波长分别为0.5μm、0.75μm、1μm对应像面上的所有视场传递函数MTF曲线。由图3可知，在120lp/mm下0.5μm到1μm工作波段全视场的光学传递函数均大于0.5，接近衍射极限，曲线平滑紧凑，说明此系统成像清晰、均匀，系统在全波段以及全视场具有很好的成像质量。
参见附图4，它是本实施例提供的成像光谱仪在全视场全工作波段中的RMS光斑半径曲线图。由图4可知，在全视场全工作波段中，系统的RMS均方根光斑半径小于1.2μm，能量集中，满足使用要求。
结果证明，本发明提供的包含自由曲面的宽视场高数值孔径低像散成像光谱仪在保证结构紧凑的前提下，其数值孔径为0.2左右，狭缝长度可达20mm，在采样频为120lp/mm，全工作波段、全视场的光学传递函数均大于0.5，像散、光谱弯曲、色畸变极低，满足光谱成像系统宽视场、小型化和高分辨率要求。
Claims (6)
1.一种高数值孔径成像光谱仪，其特征在于：它的光学系统包括弯月透镜（2）、全息衍射光栅（4）、球面反射镜（3）和自由曲面反射镜（5）；
所述弯月透镜（2）弯向光线入射方向，弯月透镜（2）的内表面（21）、外表面（22）为球面，内、外表面的曲率半径之比K1为0.7≤K1≤0.9；入射狭缝（1）和像平面（6）位于弯月透镜的内表面（21）一侧，球面反射镜（3）和自由曲面反射镜（5）位于弯月透镜的外表面（22）一侧；入射狭缝（1）和球面反射镜（3）位于弯月透镜光轴的一侧，自由曲面反射镜（5）和像平面（6）位于弯月透镜光轴的另一侧；全息衍射光栅（4）以弯月透镜的外表面（22）为基底制作，位于弯月透镜外表面的中心处，光栅槽型为等间距直线型或曲线型槽；
所述入射狭缝的长度S为20mm≤S≤35mm；
所述球面反射镜与弯月透镜共轴同心，球面反射镜与弯月透镜后表面的曲率半径之比K2为2≤K2≤3；
所述自由曲面反射镜（5）的面型Z为XY多项式，方程式为：
其中，R=-96.852，C1 =-2.947×10-3，C2=-3.000×10-4，C3=-0.055，C4=-0.096，C5=-2.277×10-4，C6=-0.069，C7=-3.002×10-4，C8=-0.033，C9=-6.111×10-3，C10=1.236×10-3，C11=-0.029，C12=1.253×10-5，C13=-0.016，C14=-3.306×10-3，C15=0.030。
2.根据权利要求1所述的一种高数值孔径成像光谱仪，其特征在于：光学系统的F数的取值范围为1.7﹤F﹤2.5。
3.根据权利要求1所述的一种高数值孔径成像光谱仪，其特征在于：光学系统的总长L为90mm≤L≤110mm。
4.根据权利要求1所述的一种高数值孔径成像光谱仪，其特征在于：光学系统的数值孔径NA为0.2≤NA≤0.3。
5.根据权利要求1所述的一种高数值孔径成像光谱仪，其特征在于：球面反射镜和自由曲面反射镜镀有高反射率膜。
6.根据权利要求1所述的一种高数值孔径成像光谱仪，其特征在于：线阵CCD传感器的成像面位于像平面上。
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