CN117968847A - 一种用于推扫式光谱成像仪的分光成像方法及其系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种用于推扫式光谱成像仪的分光成像方法及其系统。物面处出射的复色光线入射至凹球面反射镜处，将大孔径光线会聚、校正像差后入射到由玻璃材料不同的前、后片曲面棱镜胶合而成的双棱镜结构，后片曲面棱镜的后表面设有高反射膜，复色发散光由两片曲面棱镜分成不同波长的单色会聚光线，入射至后片曲面棱镜的后表面，光线反射并会聚，依次经后片曲面棱镜、前片曲面棱镜再次分光、校正像差后，再次入射至凹球面反射镜处，将发散光线会聚、校正像差后聚焦成像于像面。系统结构紧凑。本发明提供的高光谱成像系统光路为离轴三反镜成像，具有高数值孔径、高光能量利用率、高空间及光谱分辨率、结构紧凑、质量轻、易于装调校准等特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种推扫式高光谱成像系统的分光成像方法及其系统，属于光学分光成像技术领域。
背景技术
航空遥感是获取地理信息的重要技术手段，可用于矿物资源勘探、军事目标侦察等，应用领域十分广泛。随着光学成像和探测器技术的不断发展，引入分光元件的光谱相机已逐渐应用于各个领域，使航空遥感系统探测到更多维化的信息。由于被探测目标与背景杂波存在固定光谱差别，光谱相机利用这一特点成像，有效提升了航空遥感光学系统的探测与识别能力。为进行不同地物的空间位置探测和物质识别，需要探测到目标空间位置信息的同时也能够获取物质光谱信息进行分析识别。高光谱成像概念的提出与发展使这一问题得到了有效解决，该技术结合了光谱技术与空间成像技术，是同时获取观察目标二维空间信息与一维光谱信息的重要载体，通过成像系统可获取远处场景目标在工作波段的与空间分布相应的反射或者吸收光谱，光谱技术则可度量与物质成分相关的不同波长或频率的光波能量。基于此，光谱成像系统可在相邻光谱波段内实现二维空间图像信息与每个分辨像元的一维光谱信息的获取，形成被观察目标对应的三维数据立方，用于光谱信息后续分析及处理。高光谱成像技术早期应用于遥感领域，现已广泛应用于军事及民用领域，包括图像分析、食品安全检测、无人机勘测等众多实际应用领域，随着应用背景的不断开拓，不同工作环境对成像光谱仪的分辨率、信噪比等核心指标要求更高。
分光元件作为成像光谱仪的核心器件，决定着成像光谱仪的基本参数。传统成像光谱仪常采用滤光片、光栅或棱镜实现分光。滤光片型分光的成像光谱仪光谱分辨率受限于滤光片数量及滤光片本身性质，不适用于光谱分辨率较高应用场景。得益于优异的像差平衡能力及无色差成像，基于offner中继系统并改进为分光成像系统的光谱仪受大部分光学设计者的青睐。此类结构需引入凸球面反射光栅作为其分光元件，以此保留部分初始结构的孔径有关像差与视场有关像差的校正能力，而凸面反射光栅制作难度较大、不利于商业化并拓展至民用领域，且光栅仅采用正一或负一级光谱，严重降低光能量利用率与信噪比，同时存在光谱混叠、杂散光、鬼像等潜在缺陷。高光谱分辨率要求的光栅刻线密度较大，而在原光路中引入光栅会导致系统光路的不对称，几何像差显著增大并造成相邻光谱通道之间的串扰，降低系统的光谱分辨率；采用棱镜分光的成像光谱仪，无需考虑光谱混叠，且对整个工作波段范围内的光谱都具有较高光通量。不同于传统平面棱镜，曲面棱镜表面由二次曲面构成，无需放置在平行光路中进行分光，具备分光能力的同时，还具有成像能力，因此采用曲面棱镜作为系统分光元件，可补偿分光时引入的部分像差，结合近似同心结构排布，利于实现高数值孔径光谱成像。
参见文献“Optical system design of the Dyson imaging spectrometerbased on the Fery prism”（Optical Review，23:695-702，2016），报道了一种采用单个曲面棱镜分光的高光谱成像系统，该系统由一片胶合半球透镜和一片曲面棱镜构成。由于单个胶合半球透镜校正孔径有关像差受限，且光线仅两次经过一片曲面棱镜，系统难以同时实现高数值孔径与高光谱分辨率；此外，该系统基于传统dyson结构设计，而结构设计在同心性与色散性间存在权衡，且系统像面靠近胶合半球透镜前表面，加大后续系统的机械加工与光路装调困难。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种具有高数值孔径、高空间及光谱分辨率，且易于加工装调及校准的用于推扫式光谱成像系统的分光成像方法及其系统。
本发明所采用的技术方案是提供一种用于推扫式光谱成像系统的分光成像系统，其光学元件为近似同心、共光轴、共光路结构，按入射光线到达各光学元件表面的顺序，光成像系统的光学元件依次包括物面，弯向物面方向的凹球面反射镜，弯向物面方向的第一片曲面棱镜，弯向物面方向的第二片曲面棱镜，像面，分光成像系统的孔径光阑设置在第二片曲面棱镜的后表面处；第一片曲面棱镜的后表面与第二片曲面棱镜的前表面相胶合，第二片曲面棱镜的后表面设有高反射膜；凹球面反射镜、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后表面的曲率半径依次为R2、R31、R32、R42，满足条件-252≤R2≤-248、-147.5≤R31≤-145.5、-138≤R32≤-135、-122≤R42≤-119；第一片曲面棱镜、第二片曲面棱镜的材料折射率依次为n3和n4，阿贝数依次为v3和v4，满足条件 1.77≤n3≤1.88，1.30≤n4≤1.43； 22≤v3≤25和104≤v4≤108。
本发明所述的一种用于推扫式光谱成像系统的分光成像系统，优选的方案是：R2=-250mm；n3=1.85, n4=1.38； v3=23.8, v4=106.2。
本发明提供的一种用于推扫式光谱成像系统的分光成像系统，其物方数值孔径NA的取值范围为0.13≤NA≤0.16，筒长L的取值范围为250mm≤L≤280mm。
本发明技术方案还提供一种用于推扫式光谱成像系统的分光成像方法，包括如下步骤：
（1）复色光线的反射、会聚
将来自物面（1）的发散复色光线采用凹球面反射镜进行反射并会聚，入射至分光元件；凹球面反射镜的曲率半径R2满足条件 -252≤R2≤-248 ；
（2）分光、像差校正
会聚的复色光入射至分光元件分光，所述的分光元件为两片顶角相对设置、相互胶合的曲面棱镜，与凹球面反射镜近似同心、共光轴、共光路；按经凹球面反射镜后的光线到达各光学元件表面的顺序，依次为第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜，第二片曲面棱镜的后表面设有高反射膜；会聚的复色光经过两片曲面棱镜分光后得到不同波长的单色会聚光线，入射至第二片曲面棱镜后表面处进行反射，光线再次入射至第二片曲面棱镜和第一片曲面棱镜进行分光，像差校正，得到不同波长的单色光；所述的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后表面的曲率半径依次为R31、R32、R42，满足条件-252≤R2≤-248、-147.5≤R31≤-145.5、-138≤R32≤-135、-122≤R42≤-119；第一片曲面棱镜、第二片曲面棱镜的材料折射率依次为n3和n4，阿贝数依次为v3和v4，分别满足条件 1.77≤n3≤1.88，1.30≤n4≤1.43； 22≤v3≤25和104≤v4≤108；
（3）不同波长单色光的反射、会聚成像
分光后的不同波长的单色光发散至凹球面反射镜处，光束经反射会聚于像面成像。
本发明采用曲面棱镜后表面代替原offner中继系统中的凸球面反射镜的方法，补偿孔径有关像差与视场有关像差的同时，实现光束的色散；两片曲面棱镜的顶角相对设置，同时对光线进行分光和成像，提升系统光能量利用率，有效提升系统集光能力；同时，共光路结构进一步提升系统的分光能力，结构紧凑。
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，光学元件结构的近似同心，有效校正孔径有关像差，仅用两片折射率不同的曲面棱镜构成系统分光部分，采用共轴同心共光路结构，提升系统的分光能力与光能量利用率，具备结构紧凑、易于加工装调、稳定性强的特点。
2.本发明通过对两片曲面棱镜玻璃材料的合理选取，有效提升系统的分光能力，且改善系统光谱畸变；最终像面处，系统工作波段内的谱线弯曲控制在1.0μm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，以少量光学元件、紧凑结构排布实现了高数值孔径、高空间及光谱分辨率的推扫式高光谱成像；系统包含所有光学元件表面面型均设计为标准球面，仪器加工成本与难度低，具有实际应用价值。
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示意图；
图中，1.物面；2.凹球面反射镜；3.第一片曲面棱镜；31.第一片曲面棱镜的前表面；32.第一片曲面棱镜的后表面；4.第二片曲面棱镜；42.第二片曲面棱镜的后表面；5. 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、4、5分别是采用本发明实施例提供的分光成像系统的光线追迹点列图、传递函数MTF曲线图和圈入能量集中度曲线图；
图6是本发明实施例提供的分光成像系统中第二片曲面棱镜后表面处光迹图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明实施例的具体实施方案作进一步的阐述。
实施例1
本实施例提供一种用于推扫式光谱成像系统的同心结构曲面棱镜型分光成像系统。系统包括一片凹球面反射镜、两片胶合曲面棱镜；物方数值孔径NA=0.16，物面处入射狭缝长度为12mm，系统工作波段为400～800nm，系统光谱分辨率在400nm处优于0.7nm，在600nm处优于2.5nm，在800nm处优于4.5nm。
参见附图1，它是本实施例提供的分光成像系统的结构示意图，其中，物面1与像面5位于空间中同侧，按入射光线入射至各光学元件的顺序，光学元件依次为：凹球面反射镜2，第一片曲面棱镜3和第二片曲面棱镜4，它们为近似同心、共光轴、共光路结构，均弯向物面光线入射方向，且光学元件表面面型均为标准球面；第一片曲面棱镜的后表面32与第二片曲面棱镜的前表面胶合，第二片曲面棱镜的后表面42设有高反射膜。系统的孔径光阑设置在第二片曲面棱镜的后表面处。凹球面反射镜、第一片曲面棱镜的前表面31、第一片曲面棱镜的后表面和第二片曲面棱镜的后表面的曲率半径依次为R2、R31、R32、R42，满足条件-252≤R2≤-248、-147.5≤R31≤-145.5、-138≤R32≤-135、-122≤R42≤-119；第一片曲面棱镜、第二片曲面棱镜的材料折射率依次为n3和n4，阿贝数依次为v3和v4，满足条件 1.77≤n3≤1.88，1.30≤n4≤1.43； 22≤v3≤25和104≤v4≤108。
参见附图2，它是本实施例提供的分光成像系统成像时的流程图，物面处出射的复色光线，发散并入射至凹球面反射镜处，复色光经反射并会聚至第一片曲面棱镜与第二片曲面棱镜处，复色光经两片曲面棱镜分成不同波长的单色会聚光线，入射至第二片曲面棱镜后表面42处并发生反射，光线第二次入射至两片曲面棱镜，共在曲面棱镜中发生四次分光与像差校正，最后光线会聚至最终像面处，完成成像过程。
本实施例各光学元件的参数如表1所示。
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、600nm和800nm三个波长对应的各个视场的点列图均方根半径小于2.4μm，点列图几何半径小于9.6μm，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90Lp/mm下400nm（a）图、600nm（b）图和800nm（c）图波长的各视场的MTF值均大于0.49，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600nm中心波长处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。
参见附图6，它是本实施例提供的分光成像系统中第二片曲面棱镜后表面处光迹图，在棱镜后表面的有效孔径周边，保留了13mm的空间余量，这将确保棱镜后表面的边缘面形精度不受加工影响；棱镜后表面的机械结构边缘与边缘孔径光线间空余的额外宽度能有效防止后续装调过程中引起的光线遮拦，降低系统装调难度。
Claims (4)
1. 一种用于推扫式光谱成像系统的分光成像系统，其特征在于：所述分光成像系统的光学元件为近似同心、共光轴、共光路结构，按入射光线到达各光学元件表面的顺序，光成像系统的光学元件依次包括物面（1），弯向物面方向的凹球面反射镜（2），弯向物面方向的第一片曲面棱镜（3），弯向物面方向的第二片曲面棱镜（4），像面（5）；分光成像系统的孔径光阑设置在第二片曲面棱镜（4）的后表面（42）处；第一片曲面棱镜的后表面（32）与第二片曲面棱镜的前表面相胶合，第二片曲面棱镜的后表面（42）设有高反射膜；凹球面反射镜、第一片曲面棱镜的前表面（31）、第一片曲面棱镜的后表面和第二片曲面棱镜的后表面的曲率半径依次为R2、R31、R32、R42，满足条件-252≤R2≤-248、-147.5≤R31≤-145.5、-138≤R32≤-135、-122≤R42≤-119；第一片曲面棱镜、第二片曲面棱镜的材料折射率依次为n3和n4，阿贝数依次为v3和v4，满足条件 1.77≤n3≤1.88，1.30≤n4≤1.43； 22≤v3≤25和104≤v4≤108。
2. 根据权利要求1所述的一种用于推扫式光谱成像系统的分光成像系统，其特征在于：R2=-250mm；n3=1.85, n4=1.38； v3=23.8, v4=106.2。
3.根据权利要求1所述的一种用于推扫式光谱成像系统的分光成像系统，其特征在于：系统的物方数值孔径NA的取值范围为0.13≤NA≤0.16，筒长L的取值范围为250mm≤L≤280mm。
4. 一种用于推扫式光谱成像系统的分光成像方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）复色光线的反射、会聚
将来自物面（1）的发散复色光线采用凹球面反射镜（2）进行反射并会聚，入射至分光元件；凹球面反射镜的曲率半径R2满足条件 -252≤R2≤-248 ；
（2）分光、像差校正
会聚的复色光入射至分光元件分光，所述的分光元件为两片顶角相对设置、相互胶合的曲面棱镜，与凹球面反射镜近似同心、共光轴、共光路；按经凹球面反射镜后的光线到达各光学元件表面的顺序，依次为第一片曲面棱镜（3）和第二片曲面棱镜（4），第二片曲面棱镜的后表面（42）设有高反射膜；会聚的复色光经过两片曲面棱镜分光后得到不同波长的单色会聚光线，入射至第二片曲面棱镜后表面处进行反射，光线再次入射至第二片曲面棱镜和第一片曲面棱镜进行分光，像差校正，得到不同波长的单色光；所述的第一片曲面棱镜的前表面（31）、第一片曲面棱镜的后表面（32）和第二片曲面棱镜的后表面的曲率半径依次为R31、R32、R42，满足条件-252≤R2≤-248、-147.5≤R31≤-145.5、-138≤R32≤-135、-122≤R42≤-119；第一片曲面棱镜、第二片曲面棱镜的材料折射率依次为n3和n4，阿贝数依次为v3和v4，分别满足条件 1.77≤n3≤1.88，1.30≤n4≤1.43； 22≤v3≤25和104≤v4≤108；
（3）不同波长单色光的反射、会聚成像
分光后的不同波长的单色光发散至凹球面反射镜处，光束经反射会聚于像面（5）处成像。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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