CN117824833A - 一种用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，物面处出射的复色光线入射至弯月透镜，会聚大孔径角光束，校正像差后入射至第一片曲面棱镜，复色发散光经曲面棱镜分成不同波长的单色会聚光线，校正像差后入射至凹球面反射镜，光线再经第一片曲面棱镜分光、校正像差后，入射至弯月透镜后表面处，复色光反射并发散至第二片曲面棱镜，不同波长的单色发散光线经曲面棱镜分光，校正像差后入射至凹球面反射镜，光线反射并会聚，不同波长的单色会聚光线再经第二片曲面棱镜分光、校正像差后，再次经弯月透镜会聚与校正像差后，聚焦成像于像面。本发明的光学系统光路为离轴三反射镜成像，且具有共光路结构特点，系统具有显著色散能力且结构紧凑。

Description

一种用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法

技术领域

本发明涉及快照式光谱成像系统的成像光谱仪技术领域，尤其是指一种用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法。

背景技术

光谱成像技术是环境监测与物质分析的重要实现手段，它作为新一代的空间光学遥感仪器，具有巨大应用价值及广阔的发展前景。成像光谱仪能够同时采集目标区域的地物形貌特征及光谱特征，结合物质独特的光谱特征并对目标范围进行识别与检测，具有图谱合一性。成像光谱仪应用广泛，如用于检测荧光剂、重金属残留，水果蔬菜的农药残留，伪装目标识别以及有害气体检测等。随着成像光谱仪的不断发展，对于此类系统的技术指标，如数值孔径、分辨率、对微弱信号的探测能力等提出了更高的需求；另一方面，相比于传统高光谱成像技术，快照式光谱成像可省略推扫步骤，从而实现实时光谱图像的获取，具有获取实时光谱图像的优异能力，成为目前光学设计的热点之一。

在采用传统光学器件的成像光谱仪中，一般采用光栅、棱镜或滤光片作为系统的分光部分。与其他分光方式相比，光栅分光能在可见及近红外波段获取线性度较高的光谱图像，存在衍射效率低等问题；采用滤光片分光的光谱成像系统光谱通道数受限于滤光片数量，难以实现高光谱分辨率成像；平面棱镜须放置在平行光路中进行分光，以免系统引入严重像差，这增加了光学元件的复杂程度；将普通棱镜的前后表面替换为标准球面构成曲面棱镜，使得此类棱镜不仅具有色散能力，还具备对光束的会聚或发散能力，相比于普通平面棱镜，曲面棱镜引入更低额外像差及光谱畸变。初始offner结构中，三个反射镜共心放置且曲率半径比为1：2，光路对称性使得系统的三级和五级彗差为零，主三镜自动校正三级像散、场曲和彗差，仅剩下五级像散。在光路中引入曲面棱镜后，光线第一次经过棱镜产生负像散、正彗差和正畸变；光线反射第二次经过棱镜产生与第一次符号相反的像差，仅剩余小的负像散。结合wynne-offner结构与曲面棱镜色散元件，并由结构本身产生的剩余正像散抵消部分曲面棱镜生成的像散，进一步通过wynne-offner反射面和曲面棱镜的偏心与倾斜等自由度调整，可以很好地校正这些像差。

现有文献所报道的积分视场型光谱仪中，存在采用棱镜作为分光元件提升系统信噪比的前提下，高数值孔径、高光谱分辨率无法同时实现的不足，参见中国专利CN110319932A，该系统基于offner初始结构并依据主镜与三镜分离的设计思路，牺牲系统原本的同心性来提升反射镜处偏心及倾斜等自由度，设计了一种采用曲面棱镜分光的光谱成像系统。该成像光谱仪的光学元件包括三片球面反射镜和两片曲面棱镜，有效校正系统离轴像差，尤其是像散，实现了对宽成像视场成像，但由于结构本身同心性的缺失，该系统无法有效校正孔径有关像差，因此仅实现低数值孔径成像，且受限于光路放置，入射光束仅经过两次曲面棱镜分光，系统的光谱分辨率低；系统光学元件中的主镜与三镜分离，加大了后期系统的安装校准难度。

参见文献，“Design of a Small Offner Dispersive Hyperspectral ImagingSystem,”(Journal of Changchun University of Science and Technology,41(4),2018)，报道了一种基于offner结构与曲面棱镜色散的光谱成像系统。该系统光学元件包括两片曲面棱镜与两片球面反射镜。该系统在初始offner结构的上臂和下臂同时引入共两片曲面棱镜，以保证系统对称性，较好地校正了视场有关像差。由于曲面棱镜仅对小孔径光束消像散，系统入射光的数值孔径受到限制，难以实现高数值孔径成像；另一方面，受限于光路放置，入射光束仅两次经过曲面棱镜分光，导致系统光谱通道数较少。

因此，设计一种实现高数值孔径、高光能量利用率、高光谱分辨率的积分视场型快照式光谱成像系统，以解决目前大多分光成像系统存在的问题，这对于快照式光谱成像技术的推广及应用具有重大实际意义。

发明内容

为此，本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的不足，提供一种高数值孔径、低光谱畸变、高空间及光谱分辨率光谱成像的用于积分视场成像光谱仪的曲面棱镜型分光成像方法。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，包括：所述分光成像系统的光学元件共光路、近似同心结构，按光线入射方向，依次为：弯向光线入射方向的弯月透镜、弯向光线入射方向的第一片曲面棱镜、弯向光线入射方向的凹球面反射镜以及弯向光线入射方向的第二片曲面棱镜；

上述用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，包括如下步骤：

S1、来自物面的复色入射光线，入射至弯月透镜；

S2、弯月透镜对复色光进行会聚；

S3、大孔径复色光束经过弯月透镜后会聚入射至第一片曲面棱镜，第一片曲面棱镜对光束进行第一次分光与像差校正；

S4、光束经过第一片曲面棱镜透射至凹球面反射镜，光束得到进一步会聚，并反射至第一片曲面棱镜，第一片曲面棱镜对光束进行第二次分光与像差校正；

S5、光束经过第一片曲面棱镜透射至弯月透镜后表面处；

S6、弯月透镜后表面将会聚的复色光束反射并发散至第二片曲面棱镜处，第二片曲面棱镜对光束进行第三次分光与像差校正；

S7、光束经过第二片曲面棱镜透射至凹球面反射镜，光束会聚并反射至第二片曲面棱镜，第二片曲面棱镜对光束进行第四次分光与像差校正；

S8、光束会聚于弯月透镜处，光束被进一步会聚并最终成像在像方像平面上。

本发明的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，该系统由弯月透镜、凹球面反射镜、第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜构成，物面处出射的复色光线入射至弯月透镜，会聚大孔径角光束，校正像差后入射至第一片曲面棱镜，复色发散光经曲面棱镜分成不同波长的单色会聚光线，校正像差后入射至凹球面反射镜，光线反射并会聚，不同波长的单色会聚光线再经第一片曲面棱镜分光、校正像差后，入射至弯月透镜后表面处，弯月透镜的后表面设有高反射膜，复色光反射并发散至第二片曲面棱镜，不同波长的单色发散光线经曲面棱镜分光，校正像差后入射至凹球面反射镜，光线反射并会聚，不同波长的单色会聚光线再经第二片曲面棱镜分光、校正像差后，再次经弯月透镜会聚与校正像差后，聚焦成像于像面。光学系统光路为离轴三反射镜成像，且具有共光路结构特点，系统具有显著色散能力且结构紧凑。本发明提供的分光成像方法具有高数值孔径、高光能利用率、高光谱分辨率的特点。

在本发明的一个实施例中，所述弯月透镜的后表面上镀有高反射膜，所述高反射膜形成反射面。

在本发明的一个实施例中，上述步骤S5中，光束经过第一片曲面棱镜透射至弯月透镜后表面处的高反射膜上进行反射。

在本发明的一个实施例中，靠近系统光阑处采用非球面可以校正与孔径有关的像差，弯月透镜后表面R₂₂为偶次非球面，偶次非球面的子午截面方程表示为：

其中，r是曲率半径；c是曲率，k是二次曲面系数，k＝0；a₂，a₃和a₄分别是各单项式的系数，取值范围为-9.67×10-10≤a₂≤-9.97×10-10，2.54×10-14≤a₃≤2.74×10-14，-3.34×10-17≤a₄≤-3.36×10-17。

在本发明的一个实施例中，所述弯月透镜的前表面、第一片曲面棱镜、凹球面反射镜和第二片曲面棱镜均由标准球面构成。

在本发明的一个实施例中，按光线入射方向，所述弯月透镜表面的曲率半径为R₂₁，所述第一片曲面棱镜前表面的曲率半径为R₃₁，所述第一片曲面棱镜后表面的曲率半径为R₃₂，所述凹球面反射镜的曲率半径为R₄，-115≤R₂₁≤-112、-231≤R₃₁≤-228、-252≤R₃₂≤-248、-286≤R₄≤-283。

在本发明的一个实施例中，系统的物方数值孔径NA的取值范围为0.18≤NA≤0.21，筒长L的取值范围为260mm≤L≤290mm。

在本发明的一个实施例中，所述第一片曲面棱镜的折射率为n₃，1.72≤n₃≤1.74，所述第二片曲面棱镜的折射率为n₅，1.91≤n₅≤1.94。

在本发明的一个实施例中，所述第一片曲面棱镜的阿贝数为v₃，27≤v₃≤30，所述第二片曲面棱镜的阿贝数为v₅，19≤v₅≤23。

在本发明的一个实施例中，所述第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜分别设置在凹球面反射镜光轴的两侧，并且第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜交错设置。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1.本发明提供的分光成像系统，仅采用两片不同材料的曲面棱镜构成系统分光元件，弯月透镜与凹球面反射镜采用共轴同心结构，实现系统的共光路，有效提升系统的像差校正及分光能力，系统具备结构紧凑、易于加工装调的特点。

2.本发明通过对一片弯月透镜及两片曲面棱镜玻璃材料的合理选择，有效改善系统分光能力与光谱畸变，最终像面处工作波段内的谱线弯曲控制在1.1μm内，色畸变控制在1.1μm内，利于系统后续的光谱标定，以及光谱图像重建处理。

3.本发明结合同心结构与曲面棱镜两者的优势，此系统以紧凑结构实现高数值孔径、高空间及光谱分辨率的光谱成像，弯月透镜前表面、两片曲面棱镜及凹球面反射镜的表面面型均设计为标准球面，降低镜头加工成本与难度，具有实际应用价值。

本发明所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，系统的孔径光阑设置在弯月透镜后表面的反射面处；在初始offner中继系统中引入弯月透镜代替第二片反射镜，可补偿与孔径有关的球差与视场有关的像散，减小系统光谱畸变，利于实现高数值孔径、高空间及光谱分辨率的光谱成像；光线两次经过弯月透镜、第一片曲面棱镜、第二片曲面棱镜和凹球面反射镜，系统结构紧凑且具备较好的成像质量。其中，弯月透镜后表面孔径光阑处镀高反膜，实现光路反射；弯月透镜及偶此非球面的引入，额外补偿系统有关孔径的像差，尤其是球差，利于实现高数值孔径成像；光线两次经过弯月透镜、第一片曲面棱镜、第二片曲面棱镜和凹球面反射镜，具有共光路结构特点，系统像差校正能力优异且结构紧凑。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明，其中

图1是本发明的用于积分视场光谱成像仪的分光成像系统的光路图一；

图2是本发明的用于积分视场光谱成像仪的分光成像系统的结构示意图一；

图3是本发明的用于积分视场光谱成像仪的分光成像系统的光路图二；

图4是本发明的用于积分视场光谱成像仪的分光成像系统的结构示意图二；

图5是本发明的用于积分视场光谱成像仪的分光成像系统的光线追迹点列图；

图6是本发明的用于积分视场光谱成像仪的分光成像系统的传递函数MTF曲线图；

图7是本发明的用于积分视场光谱成像仪的分光成像系统的圈入能量集中度曲线图。

说明书附图标记说明：物面1、弯月透镜2、第一片曲面棱镜3、凹球面反射镜4、第二片曲面棱镜5、像面6、高反射膜7。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

实施例一

参照图1-4所示，本发明的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，包括：所述分光成像系统的光学元件共光路、近似同心结构，按光线入射方向，依次为：弯向光线入射方向的弯月透镜2、弯向光线入射方向的第一片曲面棱镜3、弯向光线入射方向的凹球面反射镜4以及弯向光线入射方向的第二片曲面棱镜5；分光成像系统的弯月透镜与凹球面反射镜采用共轴同心设计，提升系统孔径与视场有关像差的校正能力，尤其是球差；系统采用共光路结构，两片曲面棱镜分别放置在靠近凹球面反射镜的两侧，使光路通过棱镜共实现四次色散与像差校正，提升系统光能量利用率与分光能力，且有效降低系统光谱畸变。

上述用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，包括如下步骤：

S1、来自物面1的复色入射光线，入射至弯月透镜2；

S2、弯月透镜2对复色光进行会聚；

S3、大孔径复色光束经过弯月透镜2后会聚入射至第一片曲面棱镜3，第一片曲面棱镜3对光束进行第一次分光与像差校正；

S4、光束经过第一片曲面棱镜3透射至凹球面反射镜4，光束得到进一步会聚，并反射至第一片曲面棱镜3，第一片曲面棱镜3对光束进行第二次分光与像差校正；

S5、光束经过第一片曲面棱镜3透射至弯月透镜2后表面处；

S6、弯月透镜2后表面将会聚的复色光束反射并发散至第二片曲面棱镜5处，第二片曲面棱镜5对光束进行第三次分光与像差校正；

S7、光束经过第二片曲面棱镜5透射至凹球面反射镜4，光束会聚并反射至第二片曲面棱镜5，第二片曲面棱镜5对光束进行第四次分光与像差校正；

S8、光束会聚于弯月透镜2处，光束被进一步会聚并最终成像在像方像平面6上。

本发明弯月透镜2的后表面上镀有高反射膜7，所述高反射膜7形成反射面。上述步骤S5中，光束经过第一片曲面棱镜3透射至弯月透镜2后表面处的高反射膜7上进行反射。

靠近系统光阑处采用非球面可以校正与孔径有关的像差，弯月透镜2后表面R₂₂为偶次非球面，偶次非球面的子午截面方程表示为：

其中，r是曲率半径；c是曲率，k是二次曲面系数，k＝0；a₂，a₃和a₄分别是各单项式的系数，取值范围为-9.67×10-10≤a₂≤-9.97×10-10，2.54×10-14≤a₃≤2.74×10-14，-3.34×10-17≤a₄≤-3.36×10-17。

所述弯月透镜2的前表面、第一片曲面棱镜3、凹球面反射镜4和第二片曲面棱镜5均由标准球面构成。按光线入射方向，所述弯月透镜2表面的曲率半径为R₂₁，所述第一片曲面棱镜3前表面的曲率半径为R₃₁，所述第一片曲面棱镜3后表面的曲率半径为R₃₂，所述凹球面反射镜4的曲率半径为R₄，-115≤R₂₁≤-112、-231≤R₃₁≤-228、-252≤R₃₂≤-248、-286≤R₄≤-283。

系统的物方数值孔径NA的取值范围为0.18≤NA≤0.21，筒长L的取值范围为260mm≤L≤290mm。所述第一片曲面棱镜3的折射率为n₃，1.72≤n₃≤1.74，所述第二片曲面棱镜5的折射率为n₅，1.91≤n₅≤1.94。所述第一片曲面棱镜3的阿贝数为v₃，27≤v₃≤30，所述第二片曲面棱镜5的阿贝数为v₅，19≤v₅≤23。

上述系统中，所述第一片曲面棱镜3和第二片曲面棱镜5分别设置在凹球面反射镜4光轴的两侧，并且第一片曲面棱镜3和第二片曲面棱镜5交错设置。

实施例二

光谱成像系统由一片弯月透镜2、两片第一片曲面棱镜3和第二片曲面棱镜5和一片凹球面反射镜4组成，物方数值孔径NA高达0.2，物方成像面视场为20×2mm²，系统工作波段为400～760nm，系统光谱分辨率在400nm处优于1nm，在580nm处优于3nm，在760nm处优于7nm。

物面1与像面6位于空间中同侧，按光线入射方向，光学元件依次为弯月透镜2、第一片曲面棱镜3、凹球面反射镜4和第二片曲面棱镜5；其中，弯月透镜2前表面面型为标准球面，后表面面型为偶次非球面，a₂，a₃和a₄各单项式系数分别为，a₂＝-9.778×10^-10，a₃＝2.646×10^-10，a₄＝-3.354×10^-10，第一片曲面棱镜3和第二片曲面棱镜5均弯向光线入射方向，凹球面反射镜4弯向光线入射方向。第一片曲面棱镜、第二片曲面棱镜的折射率依次为n₃和n₅，阿贝数依次为v₃和v₄，则n₃＝1.73，n₅＝1.92；v₃＝28.3，v₅＝20.9。

物面处出射的大孔径复色光线，入射至弯月透镜2，将光束入射至第一片曲面棱镜3，光束实现第一次分光与像差校正，并经其透射至凹球面反射镜，发散光束经反射再次会聚至第一片曲面棱镜3，光束实现第二次分光与像差校正，经其透射至弯月透镜2后表面处，弯月透镜2后表面将会聚的复色光束反射至第二片曲面棱镜5处，光束实现第三次分光与像差校正，并经其透射至凹球面反射镜4，发散光束经反射再次会聚至第二片曲面棱镜5，光束实现第四次分光与像差校正并会聚于弯月透镜2处，光线经弯月透镜2会聚后成像于最终像面处，完成成像过程。

本实施例各光学元件的参数如表1所示：

参见附图5，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2.5μm，点列图几何半径小于6.5μm，成像质量好。

参见附图6，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6可知，在90Lp/mm下400nm(a)、580nm(b)和760nm(c)波长的各视场的MTF值均大于0.59，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7，它是本实施例提供的分光成像系统580nm波长处圈入能量集中度曲线，由图可见，80％以上的能量集中在Airy斑范围内点，能量集中。

本发明技术方案提供的积分视场型快照式分光成像方法，其分光系统由一片弯月透镜、两片曲面棱镜和一片凹球面反射镜构成，曲面棱镜具备成像和分光能力，通过采用同心结构与对两片曲面棱镜的玻璃材料合理选择，并进行复杂化设计，提升光谱成像系统的数值孔径与集光能力，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、分辨率高的光谱图像。

本发明技术方案所提供的分光成像系统，经过有效的分光与像差校正，具有高数值孔径、高空间及光谱分辨率、高光能量利用率的特点，且系统结构紧凑，易于加工装调，稳定性强等优点，可用于实际领域，应用前景广阔。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。

Claims (10)

1.一种用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于，包括：所述分光成像系统的光学元件共光路、近似同心结构，按光线入射方向，依次为：弯向光线入射方向的弯月透镜、弯向光线入射方向的第一片曲面棱镜、弯向光线入射方向的凹球面反射镜以及弯向光线入射方向的第二片曲面棱镜；

上述用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，包括如下步骤：

S1、来自物面的复色入射光线，入射至弯月透镜；

S2、弯月透镜对复色光进行会聚；

S3、大孔径复色光束经过弯月透镜后会聚入射至第一片曲面棱镜，第一片曲面棱镜对光束进行第一次分光与像差校正；

S4、光束经过第一片曲面棱镜透射至凹球面反射镜，光束得到进一步会聚，并反射至第一片曲面棱镜，第一片曲面棱镜对光束进行第二次分光与像差校正；

S5、光束经过第一片曲面棱镜透射至弯月透镜后表面处；

S6、弯月透镜后表面将会聚的复色光束反射并发散至第二片曲面棱镜处，第二片曲面棱镜对光束进行第三次分光与像差校正；

S7、光束经过第二片曲面棱镜透射至凹球面反射镜，光束会聚并反射至第二片曲面棱镜，第二片曲面棱镜对光束进行第四次分光与像差校正；

S8、光束会聚于弯月透镜处，光束被进一步会聚并最终成像在像方像平面上。

2.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：所述弯月透镜的后表面上镀有高反射膜，所述高反射膜形成反射面。

3.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：上述步骤S5中，光束经过第一片曲面棱镜透射至弯月透镜后表面处的高反射膜上进行反射。

4.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：靠近系统光阑处采用非球面可以校正与孔径有关的像差，弯月透镜后表面R₂₂为偶次非球面，偶次非球面的子午截面方程表示为：

其中，r是曲率半径；c是曲率，k是二次曲面系数，k＝0；a₂，a₃和a₄分别是各单项式的系数，取值范围为-9.67×10-10≤a₂≤-9.97×10-10，2.54×10-14≤a₃≤2.74×10-14，-3.34×10-17≤a₄≤-3.36×10-17。

5.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：所述弯月透镜的前表面、第一片曲面棱镜、凹球面反射镜和第二片曲面棱镜均由标准球面构成。

6.根据权利要求5所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：按光线入射方向，所述弯月透镜表面的曲率半径为R₂₁，所述第一片曲面棱镜前表面的曲率半径为R₃₁，所述第一片曲面棱镜后表面的曲率半径为R₃₂，所述凹球面反射镜的曲率半径为R₄，-115≤R₂₁≤-112、-231≤R₃₁≤-228、-252≤R₃₂≤-248、-286≤R₄≤-283。

7.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：系统的物方数值孔径NA的取值范围为0.18≤NA≤0.21，筒长L的取值范围为260mm≤L≤290mm。

8.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：所述第一片曲面棱镜的折射率为n₃，1.72≤n₃≤1.74，所述第二片曲面棱镜的折射率为n₅，1.91≤n₅≤1.94。

9.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：所述第一片曲面棱镜的阿贝数为v₃，27≤v₃≤30，所述第二片曲面棱镜的阿贝数为v₅，19≤v₅≤23。

10.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：所述第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜分别设置在凹球面反射镜光轴的两侧，并且第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜交错设置。