一种适用于快照式光谱成像系统的大孔径分光成像方法

1.本发明涉及成像光谱仪的分光成像系统，具体涉及一种快照式分光成像系统。


背景技术：

2.成像光谱技术综合了空间成像技术和光谱成像技术，极大拓宽了人们在航天遥感领域、农林资源探测、矿物资源与地质勘探、军事侦测、生物医疗等方面的应用范围。其中，快照式高光谱成像仪可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，目前已广泛应用于天文与遥感领域。
3.成像光谱仪中，通常采用的分光元件为棱镜或平面光栅，棱镜分光具有光学效率高的优点，但棱镜的色散是非线性的，且会引入额外像差及谱线弯曲；平面光栅的色散是线性色散，但衍射效率较低且存在光谱畸变。与棱镜和平面光栅分光方式相比，offner分光系统的分光元件为凸球面反射光栅，具有结构简单紧凑、相对孔径大、光谱分辨率高、像差校正能力强等优点，凸球面反射光栅的引入，会使系统产生像散和彗差。
4.现有文献所报道的快照式成像光谱仪中，大数值孔径、大成像视场和结构紧凑通常无法同时满足。文献“optical design of a prism-grating-based lenslet array integral field spectrometer”（optical express，vol.26，no.15，2018）报道了一种包括准直系统、色散系统和照相系统的光谱成像系统，其中，准直系统由六片球面透镜组成，色散系统采用棱镜与光栅组合的方法，照相系统由六片球面透镜组成。其采用光栅与棱镜组合的分光方式虽有利于光谱畸变的校正，但与棱镜型光谱仪相比，该系统光能量利用率低，并存在光谱叠级的不足，系统的光谱波段范围与视场存在严重制约；且系统光学元件繁多，不利于实现系统结构的紧凑。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术存在的不足，提供一种适用于快照式光谱成像系统，具有成像质量好的大数值孔径、大视场、高光谱分辨率的分光成像方法。
6.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系统的大孔径分光成像方法，包括如下步骤：步骤1，物面出射的大孔径复色光束经弯月透镜进行会聚，再入射至凹球面反射镜，光束得到进一步会聚后反射；步骤2，将凸球面反射光栅胶合于弯月透镜的后表面，凸球面反射光栅与凹球面反射镜近似同心；经步骤1会聚后的光束反射至凸球面反射光栅，将复色会聚光分成不同波长的单色发散光束，并对光谱畸变进行校正；步骤3，步骤2得到的单色发散光束再由凸球面反射光栅射向凹球面反射镜，凹球面反射镜进一步对不同波长的单色发散光束进行像差校正，并将发散光束会聚于弯月透镜处，光束被进一步会聚，并经像差校正后，会聚光束成像于像平面上。
7.本发明提供的一种适用于快照式光谱成像系统的大孔径分光成像方法，其弯月透
镜的前表面为偶次非球面，偶次非球面方程式为：；其中，r是曲率半径；c是曲率，k是二次曲面系数，k=4.4
×
10-3
；a2和a3分别是各单项式的系数，取值范围为-1.45
×
10-8
≤a2≤-1.35
×
10-8
，4.4
×
10-12
≤a3≤4.8
×
10-12
。
8.其弯月透镜后表面、凹球面反射镜的前后表面为球面，它们的曲率半径依次为r
22
、r3，以mm为长度单位，满足条件：-62≤r
22
≤-58，-130≤r3≤-127。
9.本发明的原理是：采用弯月透镜与凸球面反射光栅相胶合的方法，在实现系统分光的同时，弯月透镜的引入对系统的球差和像散得到了补偿，光谱畸变得到进一步校正，实现大数值孔径、大视场、高光谱分辨率的分光成像；光线两次经过弯月透镜和凹球面反射镜，具有共光路结构特点，提升系统像差校正能力，分光系统的结构更加简单紧凑。
10.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1.本发明在分光元件中采用弯月透镜，可有效补偿系统球差和像散，进一步提升系统的像差补偿能力，实现宽工作波段、大数值孔径快照式分光成像。
11.2.本发明通过结合弯月透镜和凸球面反射光栅光学元件，结构简单紧凑、易于装调，同时严格校正光谱畸变，谱线弯曲控制在0.8μm内，色畸变控制在1.5μm内，利于光谱标定和后期图像处理。
附图说明
12.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2是本发明实施例提供的适用于快照式光谱成像系统的大孔径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；图中，1.物面；2.弯月透镜；3.凹球面反射镜；4.凸球面反射光栅；5.像面。
具体实施方式
13.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。
14.实施例1：本实施例提供一种适用于快照式光谱成像系统的大孔径分光成像方法的光学系统。分光成像系统的光学镜头由一片弯月透镜、凹球面反射镜、凸球面反射光栅组成，物方数值孔径na=0.22，物方视场为14
×
3mm，工作波段为450～650nm。
15.参见附图1，它是本实施例提供的分光成像系统的结构及光路示意图，其中，物面1与像面5位于空间中同一侧，分光成像系统的光学元件为共轴、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凹球面反射镜3，与弯月透镜后表面相胶合的凸球面反射光栅4；系统的孔径光阑设置在凹球面反射镜3上。
16.弯月透镜2的后表面与凸球面反射光栅4相胶合；弯月透镜后表面、凹球面反射镜的前后表面为球面，它们的曲率半径依次为r
22
、r3，以mm为长度单位，满足条件：-62≤r
22
≤-58、-130≤r3≤-127。
17.弯月透镜2的前表面为偶次非球面，偶次非球面方程式为：其中，r是曲率半径；c是曲率，k是二次曲面系数，k=4.4
×
10-3
；a2和a3分别是各单项式的系数，取值范围为-1.45
×
10-8
≤a2≤-1.35
×
10-8
，4.4
×
10-12
≤a3≤4.8
×
10-12
。
18.本实施例中，偶次非球面单项式系数a2=-1.4
×
10-8
，a3=4.6
×
10-12
；凸球面反射光栅的结构参数为：刻线密度150lines/mm，衍射级次-1阶。
19.分光成像系统的物方数值孔径na的取值范围为0.20≤na≤0.23，筒长l的取值范围为120mm≤l≤140mm。
20.本实施例各光学元件的参数如表1所示。
21.表1：。
22.由附图1分光成像系统的结构及光路，参见附图2，为本实施例提供的适用于快照式光谱成像系统的分光成像方法的流程图，分光成像的具体步骤如下：步骤1，物面1出射的大孔径复色光束经弯月透镜2进行会聚，再入射至凹球面反射镜3，光束得到进一步会聚后反射；步骤2，将凸球面反射光栅4胶合于弯月透镜的后表面，凸球面反射光栅与凹球面反射镜近似同心；经步骤1会聚后的光束反射至凸球面反射光栅，将复色会聚光分成不同波长的单色发散光束，并对光谱畸变进行校正；步骤3，步骤2得到的单色发散光束再由凸球面反射光栅射向凹球面反射镜，凹球面反射镜进一步对不同波长的单色发散光束进行像差校正，并将发散光束会聚于弯月透镜处，光束被进一步会聚，并经像差校正后，会聚光束成像于像平面上5。
23.参见附图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450nm、550nm和650nm三个波长对应的各个视场的点列图均方根半径小于1.10μm，点列图几何半径小于3.50μm，成像质量好。
24.参见附图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83lp/mm下，450nm（a图）、550nm（b图）和650nm（c图）波长的各视场的
mtf值均大于0.8，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。
25.参见附图5，它是本实施例提供的分光成像系统650nm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。
26.本发明技术方案提供的快照式分光成像系统，由弯月透镜、凹球面反射镜和凸球面反射光栅组成，其中，弯月透镜与凸球面反射光栅相胶合，实现系统分光的同时，严格对系统像差进行校正，有效改善光谱畸变，提升镜头成像的数值孔径、集光能力，可获得光照度分布均匀、高光谱分辨率的光学像。
27.本发明技术方案提供的分光成像方法，经过严格像差校正，具有数值孔径大、视场大、成像质量好、光谱畸变小、光谱分辨率高的特点；提供的分光成像系统结构紧凑，易于加工装调，稳定性强等优点，可用于光谱成像领域，应用前景广阔。