一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统及其成像方法

摘要

本发明涉及一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统及其成像方法。分光成像系统为共轴对称式结构，包括分光元件及对称设置于分光元件两侧的准直镜片组和聚焦镜片组。成像方法为入射光线通过准直透镜组，得到平行于光轴的复色平行光束，入射至分光元件，经由全息光栅和棱镜组合的分光元件分光后，出射平行于光轴的不同波长的单色平行光束，入射至聚焦镜片组，经聚焦后成像于探测器处。本发明提供的分光成像系统具有大相对孔径、光谱分辨率高、光能利用率高、结构简单紧凑等特点，应用前景广阔。

说明书

技术领域

本发明涉及成像光谱仪分光成像系统技术领域，具体涉及一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统。

背景技术

光谱成像技术是将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，它能够同时获得被测目标的二维空间信息和一维光谱信息。基于此，研究人员可以根据目标物体的“光谱指纹”特性，对目标物体精准鉴别检测与分析，因此，这一技术在生产生活、科学研究和军事侦察等领域有着广泛的应用前景。

现有光谱成像技术大多是采用狭缝进行视场分割，获得线视场的光谱像，并通过对目标扫描成像获得全视场光谱像，这类系统存在着能量利用率低、非实时成像等不足，无法满足一些运动目标的分光成像需求。

快照式光谱成像技术作为一种新颖的光谱成像技术，无需推扫即可在一个探测器积分时间内获取目标物体的二维空间信息和光谱信息，可以满足一些需要实时获取空间信息和光谱信息的应用的实际需求。

参见附图1，它是现有技术提供的快照式光谱成像系统整体结构原理图，按光线传输方向，依次为孔径光阑1，前置物镜2，微透镜阵列3，准直镜片组4，分光元件5，聚焦镜片组6和CCD探测器7；其中，准直镜片组4、分光元件5和聚焦镜片组6构成分光成像系统，入射光线通过位于前置物镜2物方焦平面处的孔径光阑1传播至前置物镜，前置物镜将远处的景物成像于一次像面处；位于一次像面处的微透镜阵列3将像面进行分割并缩放后在微透镜阵列像方焦平面处形成光瞳像阵列；由光瞳像发出的光线入射至准直透镜组4，获得复色平行光束，复色平行光经组合分光元件5后，出射为不同波长的单色平行光束，并入射到聚焦透镜组6，聚焦透镜组光将光束聚焦于在CCD探测器7处获得不同波长的单色光瞳像阵列，完成成像过程。分光成像系统作为快照式成像光谱仪的核心组成部分，其成像质量决定了系统的光谱分辨率和成像性能。

现有技术中常见的分光方式主要有棱镜和光栅等，棱镜色散率低、分光能力较差，而浮雕光栅的衍射效率低，光能利用率不高。常用的光栅分光成像系统，如Offner光栅型、Czerny-Turner光栅型等，这类光谱仪均为离轴结构，存在着体积大、装调困难、稳定性差等缺陷。

中国发明专利CN 110081976 A公开了一种大视场光栅棱镜光谱成像系统，该系统包括狭缝、球面反射镜和平面反射镜、光栅棱镜模块、由8片透镜组成的聚焦镜组、滤光片和探测器。该系统工作波段为420～1000nm，狭缝长度29.4mm ,F数为2.4；光学系统采用反射式结构作为准直物镜和采用透射式结构作为聚焦镜组，实现了宽波段、大相对孔径、长狭缝光谱成像，达到了设计目的；但它存在以下不足：第一是由于使用球面反射镜和平面镜构成离轴准直组，该光谱成像系统属于离轴系统，因而在装调上存在一定的难度且系统稳定性较差；第二是该分光成像系统采用狭缝进行视场分割，系统的光能利用率低，且需要扫描才能实现全视场光谱图像的获取。

因此，设计一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统，以解决目前大多分光成像系统存在的问题，对于光谱成像技术的的推广及应用具有重大实际意义。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种光谱分辨率高、成像质量好、结构简单紧凑、易于加工装调的直视型光谱成像系统及其成像方法。

本发明所采用的技术方案是提供一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统，它为共轴对称式结构，包括分光元件及对称设置于分光元件两侧的准直镜片组和聚焦镜片组；所述的准直镜片组和聚焦镜片组结构相同，各包括五片折射透镜；所述的分光元件包括体全息光栅和棱镜；按光线入射方向，分光成像系统的光学元件依次为：背向光线入射方向弯曲的第一片弯月透镜，第一片双凸透镜，弯向光线入射方向的第二片弯月透镜，第二片双凸透镜，第一片双凹透镜，体全息光栅，棱镜，第二片双凹透镜，第三片双凸透镜，背向光线入射方向弯曲的第三片弯月透镜，第四片双凸透镜，弯向光线入射方向的第二片弯月透镜，其中，第二片双凸透镜与第一片双凹透镜构成双胶合透镜组，第二片双凹透镜与第三片双凸透镜构成另一双胶合透镜组。

本发明提供的一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统，它的工作F数的取值范围为2.4≤F/#≤2.65，物方视场为Ф＞3mm，放大倍率为-1×，畸变小于0.2%，系统的总长L为85mm≤L≤90mm。

本发明的一个优选方案是：棱镜的第一表面与光轴的垂直方向的夹角为β

本发明技术方案还包括一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统的成像方法，包括如下步骤：

（1）入射光线通过准直透镜组，得到平行于光轴的复色平行光束；

（2）将步骤（1）得到的复色平行光入射至分光元件，经组合分光元件分光后，出射平行于光轴的不同波长的单色平行光束；所述的分光元件包括体全息光栅和棱镜，所述棱镜的第一表面与光轴的垂直方向的夹角使平行于光轴入射的主波长光线满足光栅布拉格条件；

（3）将步骤（2）得到的不同波长的单色平行光束入射至聚焦镜片组，入射光线经聚焦后成像于探测器处。

步骤（2）中，平行于光轴入射的中心波长的主光线以θ

本发明提供的快照式光谱成像的分光成像系统，通过共轴对称式结构设计，增大了系统的相对孔径，可使系统的集光能力和系统分辨率得到提升，扩大了分光成像系统的使用范围。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明提供的分光成像系统的准直镜片组与聚焦镜片组设计成相同的结构，有利于节约加工成本；通过合理选择玻璃材料和设计，在实现像差校正与平衡的同时增大了光学镜头的相对孔径，使得系统的集光能力和分辨率得到显著提升。

2、本发明提供的分光成像方法，将衍射效率更高的体全息透射光栅和棱镜胶合后作为分光元件，通过控制棱镜第一表面与垂直光轴方向的夹角β

3、本发明提供的分光成像系统，同时满足物方远心和像方远心结构，且远心度较高，物方远心度和像方远心度均小于0.03°，有利于提高空间位置信息的测量精度。

4、本发明提供的分光成像系统，光学镜头仅由十片球面折射透镜构成，且全部镜片国产玻璃材料制成，降低了镜头的加工难度和加工成本，具有实际应用价值。

附图说明

图1是现有技术提供的快照式光谱成像系统整体结构原理图;

图2是本发明实施例提供的分光成像系统的结构示意图;

图3是本发明实施例的分光元件结构示意图;

图4是本发明实施例提供的分光成像系统的畸变曲线图;

图5是本发明实施例所述的分光成像系统的场曲、像散曲线图;

图6是本发明实施例所述的分光成像系统的光线追迹点列图；

图7是本发明实施例所述的分光成像系统的传递函数曲线MTF曲线图；

图8是本发明实施例所述的分光成像系统的能量集中度曲线；

图中：1.孔径光阑；2.前置物镜；3.微透镜阵列；4.准直镜片组；5.分光元件；6.聚焦镜片组；7.像面；41.第一片弯月透镜；42.第一片双凸透镜；43.第二片弯月透镜；44.第二片双凸透镜；45.第一片双凹透镜；510.玻璃基底前表面（光阑）；51.体全息光栅；511.玻璃基底；512.光栅 ；513. 保护玻璃 ；52.棱镜；61.第二片双凹透镜；62.第三片双凸透镜；63.第三片弯月透镜；64.第四片双凸透镜；65.第四片弯月透镜。

具体实施方案

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方案作进一步的阐述。

实施例1:本实施例的技术方案是提供一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统。该光学镜头由体全息透射光栅和棱镜组合分光元件及10片折射球面透镜组成，光学系统焦距f=17mm,F数为F/#=2.6,物方视场Ф=3mm，工作波长为400nm～700nm。

参见附图2，它是本实施例提供的分光成像系统的结构示意图，它由对称设置于分光元件5两侧的准直镜片组4和聚焦镜片组6构成，两组镜片组各包括五片折射透镜，按光线入射方向，光学元件依次为第一片弯月透镜41；第一片双凸透镜42；第二片弯月透镜43；第二片双凸透镜44；第一片双凹透镜45；分光元件5；第二片双凹透镜61；第三片双凸透镜62；第二片弯月透镜63；第四片双凸透镜64；第四片弯月透镜65。其中，第一片弯月透镜42，它背向光线入射方向弯曲；第二片弯月透镜43，它弯向光线入射方向；第二片双凸透镜43和第一片双凹透镜44构成双胶合透镜组；第二片双凹透镜61和第三片双凸透镜62构成双胶合透镜组；第三片弯月透镜63，它背向光线入射方向弯曲；第四片弯月透镜65，它弯向光线入射方向。分光成像系统成像时，先经准直透镜组4将入射光线准直成复色平行光束，由复色平行光经分光元件5色散后以不同波长的单色平行光束出射，分光元件主要包括体全息光栅51和棱镜52；再经聚焦镜片组6将不同波长的单色平行光束聚焦后成像于探测器处，从而完成成像过程。

参见附图3，它是本实施例提供的分光元件的结构示意图，分光元件主要包括体全息光栅51和棱镜52，其中，系统光阑512设置在玻璃基底前表面510处，玻璃基底511、保护玻璃513和棱镜52采用同一种材料；分光元件的棱镜第一表面与垂直于光轴OO’方向的夹角为β

平行于光轴OO’入射的中心波长的主光线以θ

其中，

其中，n

为实现中心波长直进直出特性，棱镜后表面夹角满足以下关系，即

将上式联立求解即可得到棱镜后表面与垂直光轴方向的夹角

本实施例中，棱镜第一表面与光轴的垂直方向的夹角β

表1:

采用上述用于快照式成像光谱仪的分光成像系统的成像方法，包括如下步骤：

（1）入射光线通过准直透镜组，得到平行于光轴的复色平行光束；

（2）将步骤（1）得到的复色平行光入射至分光元件，经组合分光元件分光后，出射平行于光轴的不同波长的单色平行光束；

（3）将步骤（2）得到的不同波长的单色平行光束入射至聚焦镜片组，入射光线经聚焦后成像于探测器处。

参见附图4，它是本实施例提供的分光成像系统的畸变曲线图，图中横坐标为相对于像面的畸变值(单位%)，纵坐标表示归一化视场，由图4结果可知，分光成像系统的畸变像差已得到了充分的校正，畸变率得到了小于0.2％。

参见附图5，它是本实施例提供的分光成像系统的场曲、像散曲线图，图中横坐标表示场曲像散值，纵坐标是归一化视场，图中的两条曲线，图中虚线曲线和实线曲线分别表示弧矢和子午两个面内的场曲，由图5结果可知，该分光成像系统有效的校正了像散和场曲，使得两曲线之间的差值即像散值在像差容限范围内。

参见附图6，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，图中三个波长对应的各个视场的点列图均方根半径小于2μm，点列图几何半径小于3μm，成像质量好，满足系统使用要求。

参见附图7，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7可知，在70lp/mm下各视场的MTF值均大于0.7，接近衍射极限，曲线平滑紧凑，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8，它是本实施例所述的分光成像系统的能量集中度曲线，由图8可见，80%以上的能量集中在Airy斑范围内点。

本发明技术方案提供的用于快照式光谱成像的分光成像系统，仅由十片透镜组成，通过提升镜头成像的相对孔径，以增加系统的集光能力和系统分辨率，可获得光照度分布均匀、能量集中、分辨率高的图像。

本发明技术方案所提供的分光成像系统及其成像方法，经过严格的像差校正，具有大相对孔径、成像质量好、光谱分辨率高、光能利用率高的特点，且结构简单紧凑、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。