CN116026460A - 一种用于成像光谱仪的大视场高保真快照式分光成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于成像光谱仪的大视场高保真快照式分光成像方法。物面出射的大孔径复色光线经半球透镜进行像差校正和会聚，经双棱镜进一步的像差校正和分光，得到不同波长的单色光线入射至球面反射镜，将光束会聚并反射出射，再次入射至双棱镜进行分光、半球透镜像差校正和会聚，在像面上得到大视场高保真的像。本发明提供的分光成像方法，具有高保真、大视场、高光谱分辨率、光能利用率高、系统结构紧凑等特点，具有广泛的应用前景。

Description

一种用于成像光谱仪的大视场高保真快照式分光成像方法

技术领域

本发明涉及成像光谱仪的分光成像技术领域，具体涉及一种具有大视场高保真快照式分光成像的方法。

背景技术

高光谱成像仪是一种将光学成像技术与光谱分析技术相融合的光学仪器，可通过空间扫描或波长扫描的方式获取观测目标图像信息及光谱信息的数据立方体。传统高光谱成像仪在获取三维数据立方体的过程中，需经历较长时间的扫描过程，限制了其在涉及实时动态目标观察等诸多领域的应用。

随着光谱成像技术的快速发展，出现了快照式高光谱成像仪，“快照”指相机的单次曝光中记录λ光谱信息堆栈的能力。快照式高光谱成像仪通过探测器一次成像即可获得目标的空间光谱信息，积分视场型高光谱成像仪作为快照式高光谱成像仪中的一种，通过引入“积分视场单元”替换“狭缝”型高光谱成像仪的“狭缝”，将二维图像信息分割并重新排列后被高光谱成像仪色散至CCD探测器上，同时获取观测目标的二维图像信息与一维光谱信息，实现非扫描式的高光谱成像数据获取。因此，积分视场型高光谱成像仪具备了对动态物体、面视场物体观测其时序光谱信息的能力。积分视场型快照式高光谱成像仪具有谱图重构效率高、工作波长宽、光谱分辨率高等优点。目前已广泛应用于天文学、遥感、生物医学领域，并不断向其他领域扩展应用，是实现运动细胞光谱时序采集的有效技术手段。

分光元件作为快照式成像光谱仪的核心部分，决定了系统的成像性能及光谱分辨率。在本发明作出之前，中国发明专利CN110146166A公开了一种自由曲面棱镜光谱分光系统，它基于Offner结构并复杂化，设计了一种自由曲面棱镜光谱分光系统，系统的光学元件包括两片曲面棱镜与三片球面反射镜，校正离轴像差并实现了光谱仪的轻量化。但该系统在入射光束的孔径角较大时存在中心遮拦，因此，无法实现大数值孔径光束的成像，且光谱分辨率低；系统光学元件的两处表面引入自由曲面，以及光学元件之间的离轴设计，加大了工业制造难度与安装校准难度。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种视场大、光谱分辨率高、成像质量好的大视场高保真快照式成像光谱仪的分光成像方法，涉及的分光成像系统具有结构简单紧凑、易于加工装调的特点。

本发明所采用的技术方案是提供一种用于成像光谱仪的大视场高保真快照式分光成像方法，步骤如下：

步骤1：物面出射的大孔径复色光线经半球透镜进行像差校正和会聚，复色光经双棱镜进一步的像差校正和分光，得到不同波长的单色光线；所述双棱镜包括第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜，第一片曲面棱镜的后表面与第二片曲面棱镜的前表面相互胶合，两片棱镜的顶角相对设置；

步骤2：将步骤1得到的不同波长的单色光线入射至球面反射镜，所述球面反射镜的曲率中心与半球透镜的曲率中心相重合，将光束会聚并反射出射；

步骤3：将步骤2 得到的不同波长的单色会聚光线再次入射至双棱镜进行分光后，再经半球透镜像差校正和会聚，在像面上得到大视场高保真的像。

本发明技术方案中，所述的半球透镜的后表面、第一片曲面棱镜的前表面、第一片曲面棱镜的后表面和第二片曲面棱镜的前表面、第二片曲面棱镜的后表面的曲率半径依次对应为R₂₂、R₃₁、R₃₂、R₄₂，以mm为长度单位，满足条件：57≤R₂₂≤63、163≤R₃₁≤168、183≤R₃₂≤188、200≤R₄₂≤206。所述第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜的材料折射率依次对应为n₄和n₅，阿贝数依次对应为v₄和v₅，满足条件：1.70≤n₄≤1.85， 1.85≤n₅≤1.97；45≤v₄≤49，20≤v₅≤23。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明提供的分光成像方法，采用两片曲面棱镜胶合顶角相对设置进行分光，进一步对入射光束的光程差进行补偿，光束共两次经过两片曲面棱镜，系统的分光能力得到进一步提升，实现高光谱分辨率的成像；被充分色散的光束再经半球透镜会聚，像差被再次校正，实现了高光谱分辨率成像。

2.本发明通过对两片曲面棱镜玻璃材料的合理选择，两片曲面棱镜分别采用高折射率与低折射率的材料，校正光谱畸变，提升系统分光能力，有效平衡由于曲面棱镜子午方向失去对称性而引入的像散，同时光谱畸变改善明显，谱线弯曲控制在0.9μm内，色畸变控制在0.9μm内，实现大视场、高保真的光学指标，有利于光谱标定和后期图像处理。

3.按本发明提供的分光成像方法构建的分光系统，具有共轴同心共光路结构，有效提升了系统光能量利用率及分光能力，具有结构紧凑、易于加工装调、稳定性强的特点。

附图说明

图1是本发明实施例提供的分光成像系统的结构及光路示意图；

图中，1.物面；2.半球透镜；3.第一片曲面棱镜；4.第二片曲面棱镜；5.球面反射镜；6.像面；

图2是本发明实施例提供的分光成像方法的流程图；

图3是本发明实施例提供的分光成像系统的光线追迹点列图；

图4是本发明实施例提供的分光成像系统的传递函数MTF曲线图；

图5是本发明实施例提供的分光成像系统的圈入能量集中度曲线图。

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：

本实施例提供一种大视场高保真快照式分光成像系统。光学镜头由一片半球透镜、两片曲面棱镜和一片球面反射镜组成，物方数值孔径NA=0.20，物方视场为28×8mm，工作波段为400～760nm。

参见附图1为本实施例提供的分光成像系统的结构及光路示意图；由图1可见，分光成像系统由一片半球透镜、两片曲面棱镜和一片球面反射镜组成共轴、共光路、近似同心结构，其中，物面1与像面6位于空间中同一侧，按光线入射方向，光学元件依次为半球透镜2、第一片曲面棱镜3、第二片曲面棱镜4和球面反射镜5；其中，半球透镜2的前表面为平面，第一片曲面棱镜3弯向光线入射方向，第二片曲面棱镜4弯向光线入射方向，球面反射镜5弯向光线入射方向。第一片曲面棱镜的后表面与第二片曲面棱镜的前表面相互胶合，两片棱镜的顶角相对设置，组成双棱镜分光结构。

本实施例中，半球透镜2、第一片曲面棱镜3和第二片曲面棱镜4为球面折射透镜，按光线入射方向，半球透镜2的后表面、第一片曲面棱镜3的前表面和后表面（第二片曲面棱镜4的前表面）、第二片曲面棱镜4的后表面，它们的曲率半径依次为R₂₂、R₃₁、R₃₂、R₄₂，以mm为长度单位，满足条件：57≤R₂₂≤63、163≤R₃₁≤168、183≤R₃₂≤188、200≤R₄₂≤206。

第一片曲面棱镜3的折射率为n₃，阿贝数为v₃，满足条件：1.70≤n₃≤1.85，第二片曲面棱镜4的折射率为n₄，阿贝数为v₄，满足条件：1.85≤n₄≤1.97，20≤v₄≤23。

参见附图2，为本实施例提供的分光成像方法的流程图；结合图1分光成像系统的结构及光路，分光成像方法的具体步骤如下：

步骤1：物面1出射的大孔径复色光线经半球透镜2进行像差校正和会聚，复色光经双棱镜进一步的像差校正和分光，得到不同波长的单色光线；所述双棱镜包括第一片曲面棱镜3和第二片曲面棱镜4，第一片曲面棱镜的后表面与第二片曲面棱镜的前表面相互胶合，两片棱镜的顶角相对设置；

步骤2：将步骤1得到的不同波长的单色光线入射至球面反射镜5，所述球面反射镜5的曲率中心与半球透镜2的曲率中心相重合，将光束会聚并反射出射；

步骤3：将步骤2 得到的不同波长的单色会聚光线再次入射至双棱镜进行分光后，再经半球透镜2像差校正和会聚，在像面6上得到大视场高保真的像。

本实施例各光学元件的参数如表1所示。

表1：

。

参见附图3，它是光线通过本实施例提供的分光成像系统的光线追迹点列图，图中400nm、580nm和760nm三个波长对应的各个视场的点列图均方根半径小于0.7μm，点列图几何半径小于2.20μm，成像质量好。

参见附图4，它是本实施例提供的分光成像系统各个视场对应像面上的传递函数MTF曲线。由图4可知，在145lp/mm下，400nm（a图）、580nm（b图）和760nm（c图）波长的各视场的MTF值均大于0.7，接近衍射极限，曲线较为平滑，说明镜头成像清晰、均匀，系统在全波段全视场具有很好的成像质量。

参见附图5，它是本实施例提供的分光成像系统760nm波长的圈入能量集中度曲线，由图5可见，80%以上的能量集中在Airy斑范围内点，能量较为集中。

本发明技术方案提供的分光成像方法，采用由一片半球透镜、两片曲面棱镜和一片反射镜组成分光成像系统，曲面棱镜具备成像和分光功能，通过对两片曲面棱镜的玻璃材料合理选择，并进行复杂化设计，提升镜头成像的数值孔径、集光能力，提升系统的光能量利用率，可获得光照度分布均匀、能量集中、分辨率高的光学像。

按发明技术方案提供的分光成像方法，经过严格的像差校正，具有数值孔径大、视场大、成像质量好、光谱分辨率高、光能量利用率高的特点，涉及的分光成像系统结构紧凑，易于加工装调，稳定性强，可用于光谱成像领域，应用前景广阔。

Claims (3)

1.一种用于成像光谱仪的大视场高保真快照式分光成像方法，其特征在于包括如下步骤：

步骤1：物面（1）出射的大孔径复色光线经半球透镜（2）进行像差校正和会聚，复色光经双棱镜进一步的像差校正和分光，得到不同波长的单色光线；所述双棱镜包括第一片曲面棱镜（3）和第二片曲面棱镜（4），第一片曲面棱镜的后表面与第二片曲面棱镜的前表面相互胶合，两片棱镜的顶角相对设置；

步骤2：将步骤1得到的不同波长的单色光线入射至球面反射镜（5），所述球面反射镜（5）的曲率中心与半球透镜（2）的曲率中心相重合，将光束会聚并反射出射；

步骤3：将步骤2 得到的不同波长的单色会聚光线再次入射至双棱镜进行分光后，再经半球透镜（2）像差校正和会聚，在像面（6）上得到大视场高保真的像。

2.根据权利要求1所述的一种用于成像光谱仪的大视场高保真快照式分光成像方法，其特征在于：半球透镜（2）的后表面、第一片曲面棱镜（3）的前表面、第一片曲面棱镜（3）的后表面和第二片曲面棱镜（4）的前表面、第二片曲面棱镜（4）的后表面的曲率半径依次对应为R₂₂、R₃₁、R₃₂、R₄₂，以mm为长度单位，满足条件：57≤R₂₂≤63、163≤R₃₁≤168、183≤R₃₂≤188、200≤R₄₂≤206。

3.根据权利要求1所述的一种用于成像光谱仪的大视场高保真快照式分光成像方法，其特征在于：所述第一片曲面棱镜（3）和第二片曲面棱镜（4）的材料折射率依次对应为n₄和n₅，阿贝数依次对应为v₄和v₅，满足条件：1.70≤n₄≤1.85， 1.85≤n₅≤1.97；45≤v₄≤49，20≤v₅≤23。

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