CN116718269A - 一种大视场校色散非线性光谱成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大视场校色散非线性光谱成像装置，所述装置包括入射狭缝、第一自由曲面反射镜、成对曲面棱镜、第二自由曲面反射镜、补偿镜和像面，入射光束经过所述入射狭缝发散进入第一自由曲面反射镜，经所述第一自由曲面反射镜反射后的光束进入所述成对曲面棱镜；经所述成对曲面棱镜两次透射和单次反射后的光束再入射到所述第二自由曲面反射镜；经所述第二自由曲面反射镜反射后的光束入射到所述补偿镜，再经所述补偿镜透射后进入所述像面，实现不同波长的色散和单波长的聚焦。上述装置根据曲面棱镜色散特性，利用自由曲面非旋转对称特性，校正随着视场增大引起的光谱畸变，改善由于光学材料本身存在的固有色散非线性问题。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种大视场校色散非线性光谱成像装置。
背景技术
曲面棱镜作为一种典型的色散元件，与光栅相比，具有能量利用率高、易加工、性能稳定、光谱无混叠等优点。但由于光学材料的固有属性折射率特点，棱镜色散系统存在典型的光谱色散非均匀性和光谱畸变。对于常见的光学材料，玻璃的折射率在可见光的短波范围内变化很快，但在长波范围内变化较慢。在不进行非线性校正的情况下，相等间隔的短波范围内和长波范围内的光谱分辨率相差很大，严重影响了系统的信噪比，给后续的数据处理和计算带来不便。色散型光谱仪中普遍存在光谱畸变，且随着视场的增大，光谱畸变剧烈增大。光谱畸变包括谱线弯曲和谱带弯曲，是由色散元件引起的光学畸变，最终会导致狭缝在探测器上的像是一条条弯曲的谱线或者不同波长的像在空间维长度不等。此外光谱畸变还会引起图像匹配误差，给后续的数据处理带来困难，如光谱定标、辐射定标等。为了获得更精确的光谱数据，光谱畸变必须控制在50％甚至20％像素范围内。
现有技术中棱镜色散非线性的校正方法通常采用两种方法：一种是采用不同种材料胶合而成的三角棱镜组合，如Amici棱镜。采用Amici棱镜组合的光谱成像系统，覆盖的光谱范围比较窄，视场小，且非线性比仅能校正一部分，因此棱镜色散的非线性并未得到很好的校正。同时采用三角棱镜组合的光谱成像系统的谱线弯曲较大，光谱畸变严重，这两个指标又是评价光谱成像系统性能的重要参数，直接影响光谱系统的分辨率；第二种方法为成对使用曲面棱镜，单台光谱仪需使用四个曲面棱镜来实现光谱非线性的校正，而曲面棱镜作为一种异形透镜，其加工不同于常规球面或非球面元件，加工元件所需胚料大，现有国产光学毛坯料尺寸难以完成口径大于200mm的曲面棱镜加工，随着视场的增大和相对孔径的增加，传统非线性校正方案中的曲面棱镜口径迅速增大，因此难以实现大视场下的传统方案的加工，同时随着视场的增大，曲面棱镜系统体积和重量将显著增加，很难减轻全系统的重量。
发明内容
本发明的目的是提供一种大视场校色散非线性光谱成像装置，该装置根据曲面棱镜色散特性，利用自由曲面非旋转对称特性，校正随着视场增大引起的光谱畸变，改善由于光学材料本身存在的固有色散非线性问题。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种大视场校色散非线性光谱成像装置，所述装置包括入射狭缝、第一自由曲面反射镜、成对曲面棱镜、第二自由曲面反射镜、补偿镜和像面，其中：
入射光束经过所述入射狭缝发散进入第一自由曲面反射镜，经所述第一自由曲面反射镜反射后的光束进入所述成对曲面棱镜；
经所述成对曲面棱镜两次透射和单次反射后的光束再入射到所述第二自由曲面反射镜；其中，所述成对曲面棱镜的反射面作为孔径光阑，且所述成对曲面棱镜设置于光谱仪结构中的次镜位置；
经所述第二自由曲面反射镜反射后的光束入射到所述补偿镜，再经所述补偿镜透射后进入所述像面，实现不同波长的色散和单波长的聚焦。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述装置根据曲面棱镜色散特性，利用自由曲面非旋转对称特性，校正随着视场增大引起的光谱畸变，改善由于光学材料本身存在的固有色散非线性问题，解决了传统大视场非线性校正方法中曲面棱镜加工的不可行性问题。
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大视场校色散非线性光谱成像装置结构示意图。
图2为同等指标下未校正色散非线性与校正非线性的光谱分辨率对比图；
图3为本发明实施例所述光谱成像装置的光谱分辨率曲线示意图；
图4为本发明实施例所述光谱畸变谱线弯曲示意图；
图5为本发明实施例所述光谱畸变谱带弯曲示意图。
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，这并不构成对本发明的限制。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。
如图1所示为本发明实施例提供的大视场校色散非线性光谱成像装置结构示意图，所述装置包括入射狭缝1、第一自由曲面反射镜2、成对曲面棱镜3、第二自由曲面反射镜4、补偿镜5和像面6，其中：
入射光束经过所述入射狭缝1发散进入第一自由曲面反射镜2，经所述第一自由曲面反射镜2反射后的光束进入所述成对曲面棱镜3；
经所述成对曲面棱镜3两次透射和单次反射后的光束再入射到所述第二自由曲面反射镜4；其中，所述成对曲面棱镜3的反射面作为孔径光阑，且所述成对曲面棱镜3设置于光谱仪结构中的次镜位置，有效减少曲面棱镜的通光口径；
经所述第二自由曲面反射镜4反射后的光束入射到所述补偿镜5，再经所述补偿镜5透射后进入所述像面6，实现不同波长的色散和单波长的聚焦。
具体实现中，通过将成对曲面棱镜3放置于光谱仪次镜位置处，两次透射实现双倍色散，根据曲面棱镜色散特性的推导，建立曲面棱镜色散与非线性比的关系；同时将其与自由曲面相结合，利用自由曲面的多自由度和棱镜楔角相合，提高长波处光谱分辨率，将棱镜色散非线性比提高到1:2，色散近均匀化。
另外，所述第一自由曲面反射镜2和第二自由曲面反射镜4所采用的自由曲面为XY多项式，XY多项式是在光学设计中较早被应用的自由曲面面型，由于具有非旋转对称性，可以用来描述面型矢高变化较大的曲面，可以灵活控制曲面的对称性用来描述关于某一平面对称的自由曲面，XY多项式的表达式如下：
式中c为中心点的曲率；k为二次系数；x,y为自由曲面上任意点横、纵坐标，并定义r2＝x2+y2；N为多项式的项数；Ai为第i项扩展多项式的系数；Ei(x,y)为x和y的幂级数。
具体实现中，具体可以根据成对曲面棱镜3的色散特性和自由曲面的计算，求解出满足一定色散非线性比的成对曲面棱镜3结构，具体步骤如下：
棱镜色散值取决于棱镜的顶角大小和棱镜材料的折射率，棱镜的色散率为Ф(λ)，则Ф(λ)＝dn/dλ，该式表示棱镜材料的折射率随着不同波长的变化，若要校正这种差值引起的色散非均匀性，需使用在同一波段范围内色散差值较大的复合棱镜来进行修正，并计算出合适的角度来满足光谱分辨率要求。
对于给定系统的色散宽度，若要校正色散非线性问题，则需采用不同折射率差的材料相结合，且所采用的曲面棱镜夹角倾斜方向相反，设第一种曲面棱镜的楔角为α1，第二种曲面棱镜的楔角为α2，给定非线性比γ，通过逆运算求解曲面棱镜顶角的初始值，根据曲面棱镜色散特性，短波和长波部分的色散宽度表达为：
其中，Δλl和Δλs分别为最大和最小波长间隔；Wl和Ws分别为长波和短波部分的色散宽度；dδ/dλ为波长的线色散，为了满足指定的非线性比γ，需满足如下等式：
wl＝γ*ws
设δl和δs分别为长波和短波色散的偏离角，n1和n2分别为光学材料在长波处和短波处的折射率，λl和λs分别为长波和短波的波长，β1和β2分别为棱镜的楔角差，则偏离角的表达式如下：
δl≈[n1(λl)-1]*β1+[n2(λl)-1]*β2
δs≈[n1(λs)-1]*β1+[n2(λs)-1]*β2
为了校正色散非线性，本实施例采用了成对曲面棱镜3的结构，通过给定光谱仪的色散宽度，求得色散偏离角，对材料进行选择，从而求解所述成对曲面棱镜3的初始参数，构造出本申请光谱成像装置的结构。
为了说明未校正色散非线性与校正非线性系统的区别，在同等色散宽度下进行光学仿真，将冕牌玻璃与融石英玻璃组合后，如图2所示为同等指标下未校正色散非线性与校正非线性的光谱分辨率对比图，从图2中可以看出：经过非线性校正后的光谱成像仪，在400nm处的光谱分辨率为4.9nm，未经过非线性校正的光谱仪在400nm处的光谱分辨率为1nm；在1000nm处的光谱分辨率为7.1nm，未经过非线性校正的光谱仪在1000nm处的光谱分辨率为12nm。未经色散非线性校正长波色散与短波色散非线性比为12:1，经过非线性校正后，非线性比接近为3:1。因此经过非线性校正的光谱仪，提高了长波的光谱分辨率，实现光谱分辨率近乎均匀化的设计。
具体实现中，所述入射狭缝1的长度为80mm；
所述装置的光谱范围450-1000nm，相对孔径1/3，像元尺寸9um，下表1为本发明实施例所述光谱成像装置的一种光学元件的参数表：
表1光谱成像仪装置光学元件参数表
具体实现中，上述光学元件的半径、厚度、空气间隔、夹角、光学材料等的更改均不脱离本发明的实质范围。
如图3所示为本发明实施例所述光谱成像装置的光谱分辨率曲线示意图，由图3可以看出在波长450nm处光谱分辨率为4.36nm，在波长1000nm处光谱分辨率为9.92nm，光谱色散非线性得到了有效的校正。
通过追迹波长450nm,550nm,650nm，750nm，850nm，1000nm在视场为0mm,15mm,25mm,40mm处的像点位置，从而获得光谱畸变曲线，如图4所示为本发明实施例所述光谱畸变谱线弯曲示意图，从图4可以看出：1000nm的谱线弯曲较大，随着视场的增加，其值也不断增大，最大值为4.17μm，其他波段的谱线弯曲均小于0.5个像元。
如图5所示为本发明实施例所述光谱畸变谱带弯曲示意图，从图5可以看出：最大视场的谱带弯曲小于0.5个像元，可满足使用要求。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。
综上所述，本发明实施例所述装置具有如下优点：
1、本装置仅由两个曲面棱镜(通过口径小)和自由曲面反射镜组成，与传统四个曲面棱镜反射镜(通过口径大)相比，本申请所使用的色散元件(曲面棱镜)不仅个数减少2个，同时曲面棱镜通过口径尺寸至少减少一半以上，实现了加工可行性。与传统分视场方案相比，系统体积和尺寸减少50％以上，有效解决了光谱成像仪大视场与体积大的矛盾。
2、本申请利用自由曲面的非旋转对称特性，将自由曲面与光谱成像仪相结合，校正随着视场增大引起的光谱畸变，传统球面系统的大视场光谱畸变可达到十几个像元，本申请中引入自由曲面和补偿镜，可将光谱畸变校正0.5个像元以内，极大减少后续数据处理工作，有效减小系统配准误差。
3、本申请所述装置采用单光路实现大视场校色散非线性设计，颠覆传统分视场方案的复杂光路结构，有效改善大视场引起的光谱畸变，缩小光谱色散元件的通光口径，大幅度提高光学元件加工、装调可行性。
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。本文背景技术部分公开的信息仅仅旨在加深对本发明的总体背景技术的理解，而不应当被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已为本领域技术人员所公知的现有技术。
Claims (3)
1.一种大视场校色散非线性光谱成像装置，其特征在于，所述装置包括入射狭缝、第一自由曲面反射镜、成对曲面棱镜、第二自由曲面反射镜、补偿镜和像面，其中：
入射光束经过所述入射狭缝发散进入第一自由曲面反射镜，经所述第一自由曲面反射镜反射后的光束进入所述成对曲面棱镜；
经所述成对曲面棱镜两次透射和单次反射后的光束再入射到所述第二自由曲面反射镜；其中，所述成对曲面棱镜的反射面作为孔径光阑，且所述成对曲面棱镜设置于光谱仪结构中的次镜位置；
经所述第二自由曲面反射镜反射后的光束入射到所述补偿镜，再经所述补偿镜透射后进入所述像面，实现不同波长的色散和单波长的聚焦。
2.根据权利要求1所述大视场校色散非线性光谱成像装置，其特征在于，所述第一自由曲面反射镜和第二自由曲面反射镜所采用的自由曲面为XY多项式，XY多项式的表达式如下：
式中c为中心点的曲率；k为二次系数；x,y为自由曲面上任意点横、纵坐标，并定义r2＝x2+y2；N为多项式的项数；Ai为第i项扩展多项式的系数；Ei(x,y)为x和y的幂级数。
3.根据权利要求1所述大视场校色散非线性光谱成像装置，其特征在于，
所述入射狭缝1的长度为80mm；
所述装置的光谱范围450-1000nm，相对孔径1/3，像元尺寸9um。
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