一种适用于快照式光谱成像的分光成像方法

技术领域

本发明涉及一种适用于快照式光谱成像的分光成像方法，属于光学技术领域。

背景技术

对运动目标进行实时精确定位与物质变化分析，是人类研究事物运动变化规律的重要手段。传统扫描型成像光谱仪通过对目标物逐点扫描、逐线扫描或逐波长扫描，在扫描过程中多次曝光，获取目标物完整的空间信息和光谱信息，即传统扫描式高光谱成像技术需通过一定时间的扫描才能获取目标区域的完整空间信息和光谱信息，将此类系统用于动态场景捕获时会产生运动伪影，影响探测质量，因此不具备实时性；为获取更广空间范围及更多空间细节的目标图像信息并进行更精确的分析鉴别，人们对高光谱成像光学系统提出了更高的要求，要求获取动态目标信息及即时获取高空间和高光谱分辨率的目标区域信息，而快照式高光谱成像技术利用二维焦平面探测器阵列对目标区域进行实时的完整三维数据立方的获取，可实现对运动目标进行实时精确定位与分析，是人类研究事物运动变化规律的重要内容。快照式光谱技术由于其独特的优势在国计民生等诸多领域，例如，在军事领域，包括坦克、飞弹等运动目标，通过快照式高光谱成像系统可实现对运动目标的准确识别与跟踪；在生物医学领域，可通过快照式高光谱成像系统分析细胞时序。

传统高光谱成像系统需沿着空间或光谱维度扫描目标区域，存在采集效率较低等缺陷，而快照式光谱成像仪可在一次测量中同时获取多个波段的光谱混叠图像，具备更高的信息采集速率且信息更加丰富，在医学诊断、水质监测以及天文等领域有着广泛的应用。分光元件作为快照式光谱成像系统的分光成像系统的核心部分，决定了系统的成像性能及光谱分辨率。传统分光色散元件主要为光栅与棱镜，与棱镜色散分光型快照式光谱成像系统相比，光栅分光型快照式光谱成像系统存在光谱叠级问题，导致其成像视场与工作波段存在制约，因此难以同时实现宽波段和大成像视场的快照式高光谱成像，且光能利用率低。近年来，由于曲面棱镜加工技术的进步，曲面棱镜在光学系统设计中得到了广泛使用。曲面棱镜由标准球面玻璃材料构成，它对很宽光谱范围内的光能利用率都较高，是许多宽谱段中高等分辨率光谱成像系统的优选方案。采用曲面棱镜可有效避免光栅的低衍射效率、低光通量、高级衍射杂光等缺点，且在发散及会聚光束中，曲面棱镜的引入也能较好约束像差，减小系统的体积，减轻系统受杂光影响。

参见文献“Optical system design of the Dyson imaging spectrometerbased on the Fery prism”（Optical Review，23:695-702，2016），文中报道了一种基于单个曲面棱镜分光的推扫式成像光谱仪，该系统由两片折射透镜和一片曲面棱镜构成。该系统存在以下不足：系统数值孔径小，线视场小，色散非线性严重，调制传递函数低等；该系统采用双胶合透镜代替单个半球透镜，提高系统成本，加重装调工作；此外，该系统仅采用单个曲面棱镜进行分光，系统光谱分辨率低，且系统光谱畸变校正能力差，系统结构不紧凑。

参见中国发明专利CN110146166A，该系统复杂化Offner结构并引入自由曲面棱镜，设计了一款分光系统。该系统的光学元件包括两片自由曲面棱镜与三片球面反射镜，以此校正离轴像差。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，系统光谱分辨率低；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，提供一种宽工作波段、成像视场宽、光谱分辨率高的用于积分视场型快照式光谱成像的分光成像方法。

本发明所采用的技术方案是：提供一种适用于快照式光谱成像的分光成像方法，包括如下步骤：

（1）会聚光线、校正像差

物面（1）处出射的大孔径角的复色光束经前表面为平面的半球透镜（2）会聚、像差校正后，得到复色发散光束；

（2）棱镜分光

采用双棱镜结构对复色发散光束进行分光，进一步像差校正，得到不同波长的单色会聚光线；所述的双棱镜结构由弯向光线入射方向的前片曲面棱镜（3）和后片曲面棱镜（4）组成，前片曲面棱镜的后表面（32）与后片曲面棱镜的前表面（41）相互胶合，两片棱镜的顶角相对设置，前片曲面棱镜、后片曲面棱镜的折射率依次为n

（3）不同波长的单色发散光线会聚、反射

在后片曲面棱镜的后表面（42）处镀有高反射膜，对入射的不同波长的单色发散光线进行反射并会聚；

（4）再次棱镜分光

反射的会聚光线再依次经后片曲面棱镜、前片曲面棱镜分光，光线得到充分色散；

（5）再次校正像差、会聚成像

色散的光线从后表面再入射至半球透镜（2），对不同波长的单色会聚光线的像差进行校正，在像面（5）处会聚成像。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明采用的分光成像方法，光束共两次经过双棱镜结构，分光能力得到进一步提升，实现高光谱分辨率的成像。

2.本发明采用的分光成像方法，其分光成像元件具有共光路结构特点，数值孔径大、成像视场宽、入射光通量高，双棱镜分光结构，有效提升系统色散能力，光路更加简单紧凑。

附图说明

图1是本发明实施例提供的适用于快照式光谱成像的分光成像方法的流程图；

图2是本发明实施例提供的分光成像方法其分光成像系统的结构示意图；

图中，1.物面；2.半球透镜；3.前片曲面棱镜；4.后片曲面棱镜；5.像面；22.半球透镜的后表面；31、32.前片曲面棱镜的前、后表面；42.后片曲面棱镜的后表面；

图3是采用本发明实施例提供的分光成像方法其分光成像系统的光线追迹点列图；

图4是采用本发明实施例提供的分光成像方法其分光成像系统的传递函数MTF曲线图；

图5是采用本发明实施例提供的分光成像方法其分光成像系统的圈入能量集中度曲线图。

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

本实施例提供一种适用于快照式光谱成像的分光成像方法及分光成像系统。

参见附图1、2，分别为本实施例提供的分光成像方法的流程图及分光成像系统的光路图。

分光成像系统的光学镜头由一片半球透镜和两片曲面棱镜组成，物方数值孔径NA=0.2，物方视场为15×4mm，工作波段为400～760nm。

由图2可见，分光成像系统中，物面1与像面5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、前片曲面棱镜3和后片曲面棱镜4；其中，半球透镜2的前表面为平面，后表面22为球面；物面1与像面5紧贴半球透镜的前表面。前片曲面棱镜3的前表面31和后片曲面棱镜4弯向光线入射方向，前片曲面棱镜的后表面32与后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，后片曲面棱镜的后表面42处设有高反射膜；前片曲面棱镜、后片曲面棱镜的折射率依次为n

由图1可见，本实施例提供的分光成像方法包括如下步骤：

（1）会聚光线、校正像差

物面1处出射的大孔径角的复色光束经前表面为平面的半球透镜2会聚、像差校正后，得到复色发散光束；

（2）棱镜分光

采用双棱镜结构对复色发散光束进行分光，进一步像差校正，得到不同波长的单色会聚光线；所述的双棱镜结构由弯向光线入射方向的前片曲面棱镜和后片曲面棱镜组成，前片曲面棱镜的后表面32与后片曲面棱镜的前表面41相互胶合，两片棱镜的顶角相对设置；

（3）不同波长的单色发散光线会聚、反射

在后片曲面棱镜的后表面42处镀有高反射膜，对入射的不同波长的单色发散光线进行反射并会聚；

（4）再次棱镜分光

反射的会聚光线再依次经后片曲面棱镜、前片曲面棱镜分光，光线得到充分色散；

（5）再次校正像差、会聚成像

色散的光线从后表面再入射至半球透镜2，对不同波长的单色会聚光线的像差进行校正，在像面5处会聚成像。

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、490nm、580nm、670nm和760nm五个波长对应的各个视场的点列图均方根半径小于2.24μm，点列图几何半径小于4.46μm，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）、580nm（b）和760nm（c）波长的各视场的MTF值均大于0.43，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，能量集中。

本发明技术方案提供的快照式分光成像方法，其分光系统仅由一片半球透镜和两片曲面棱镜组成，其中，曲面棱镜同时具备成像和分光能力，通过对两片曲面棱镜玻璃折射率的合理选择，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。