一种基于自由曲面棱镜的大视场分光成像方法及其系统与流程

1.本发明涉及光谱仪技术领域，具体涉及一种基于自由曲面棱镜的大视场分光成像方法及其系统。


背景技术：

2.光谱成像技术将光谱和成像技术相结合，实现目标场景二维图像信息和一维光谱信息的同时获取，构成三维数据立方体，对获取的光谱信息进行分析处理。从卫星图像分析乃至食品安全检测，光谱成像技术的应用极其广泛，随着新应用背景的开拓，新的工作环境对于光谱成像系统的视场、信噪比与分辨率等指标提出了更高的要求。
3.分光技术为光谱仪系统的核心，决定成像光谱仪的基本性能，其中以光栅和棱镜作为分光元件所设计的光谱仪系统居多。传统offner光谱仪使用凸面光栅作为其分光元件，具有良好的成像性能，但凸面光栅制作难度大、价格昂贵，且光栅一般只使用某一级光谱，使得光能利用率低，同时仍存在杂散光、光谱叠级、鬼像等不足。在本发明作出之前，中国发明专利cn110319932a公开了一种基于offner中继结构的曲面棱镜色散型成像光学系统，但该系统数值孔径小，视场小，且系统引入过多棱镜以及采用分离主反射镜的方式，增大系统装调和校准难度。
4.在同心光学系统中，由于色散元件的加入使得系统对称性被破坏，存在较大的像散像差系统，且狭缝越长，像差校正越困难，现有技术常采取分离主反射镜与第三反射镜的手段，增加优化变量，然而此种方法提高了光学结构复杂程度，且系统的装调和校准比较困难。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术存在的不足，提供一种光能利用率高、光谱分辨率高、结构简单紧凑、易于加工装调的大视场分光成像系统及其成像方法。
6.实现本发明目的的技术方案是提供一种基于自由曲面棱镜的大视场分光成像系统；系统的光路呈对称结构，包括入射狭缝，呈近似同心结构的反射镜和曲面棱镜分光镜组；所述的反射镜为自由曲面反射镜，其曲面弯向光线入射方向，包括入射光反射区和分光反射区；所述的曲面棱镜分光镜组包括一块曲面棱镜和一块自由曲面棱镜，两块棱镜的顶角相对设置，两块棱镜的曲面弯向光线入射方向；所述曲面棱镜的材料折射率n1的取值范围为1.7≤n1≤1.9，阿贝数v1的取值范围为25.44≤v1≤32.15；所述自由曲面棱镜的材料折射率n2的取值范围为1.4≤n2≤1.6，阿贝数v2的取值范围为66.2≤v2≤68.2；所述自由曲面棱镜的反射面镀有高反膜，系统的孔径光阑设置在自由曲面棱镜的反射面上。
7.本发明技术方案还包括一种基于自由曲面棱镜的大视场分光成像方法，步骤如下：（1）光线经入射狭缝后由自由曲面反射镜的入射光反射区将发散的入射光线会聚；
所述的自由曲面反射镜的曲面弯向光线入射方向，包括入射光反射区和分光反射区；（2）将步骤（1）得到的会聚光线入射至曲面棱镜分光镜组，在曲面棱镜分光镜组内经折叠光路四次色散处理，实现分光和像差平衡，得到非线性色散校正的不同视场和波长的发散单色光线；所述的曲面棱镜分光镜组与自由曲面反射镜呈近似同心结构，曲面棱镜分光镜组包括一块曲面棱镜和一块自由曲面棱镜，两块棱镜的顶角相对设置，两块棱镜的曲面弯向光线入射方向；所述曲面棱镜的材料折射率n1的取值范围为1.7≤n1≤1.9，阿贝数v1的取值范围为25.44≤v1≤32.15；所述自由曲面棱镜的材料折射率n2的取值范围为1.4≤n2≤1.6，阿贝数v2的取值范围为66.2≤v2≤68.2；所述自由曲面棱镜的反射面镀有高反膜，系统的孔径光阑设置在自由曲面棱镜的反射面上；（3）将步骤（2）得到的不同视场和波长的发散单色光线入射至自由曲面反射镜的分光反射区，经像差平衡后会聚成像于像面处。
8.本发明技术方案中，所述自由曲面反射镜的反射面为xy多项式自由曲面，其所在坐标系为以自由曲面反射镜的顶点为原点o构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为z轴正方向，y轴正方向向上，x轴正方向向外，所述坐标系中xy多项式自由曲面的方程式为：其中，是半径；c是曲率，c=-4.63
×
10-3
；k是二次曲面系数， k=0.243；～分别是各单项式的系数，取值范围为0.197≤≤0.199，
ꢀ‑
1.725≤≤-1.723，-1.688≤≤-1.686，0.061≤≤0.063，0.018≤≤0.021，0.077≤≤0.079，0.173≤≤0.175，-0.160≤≤-0.158，-3.07
×
10-3
≤≤-3.04
×
10-3
，0.010≤≤0.014，0.125≤≤0.128。
9.所述自由曲面棱镜的反射面为xy多项式自由曲面，其所在坐标系为以自由曲面棱镜的顶点为原点o构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为z轴正方向，y轴正方向向上，x轴正方向向外，所述坐标系中xy多项式自由曲面的方程式为：其中，是半径；c是曲率，c=-0.011；k是二次曲面系数，k=2.36
×
10-3
；～分别是各单项式的系数，取值范围为0.010≤≤0.012，
ꢀ‑
5.31
×
10-5
≤≤-4.91
×
10-5
，-1.2
×
10-4
≤≤-1.0
×
10-4
，-4.51
×
10-3
≤≤-4.48
×
10-3
，3.42
×
10-3
≤≤3.44
×
10-3
，7.635
×
10-4
≤≤7.640
×
10-4
，2.11
×
10-3
≤≤2.13
×
10-3
，-3.3
×
10-3
≤
≤-3.1
×
10-3
，3.95
×
10-3
≤≤3.97
×
10-3
，-2.93
×
10-4
≤≤-2.88
×
10-4
，8.85
×
10-4
≤≤8.89
×
10-4
。
10.本发明的原理是：光线经入射狭缝到达自由曲面反射镜处发生反射；反射光线经过第一块曲面棱镜和第二自由曲面棱镜后，由自由曲面棱镜的后表面反射，再次分别经过自由曲面棱镜和曲面棱镜，达到曲面棱镜的分光和像差平衡效果；经色散分光后的光束再次入射到自由曲面反射镜上，反射镜对不同波长及不同视场的光进行像差补偿和校正，同时将光束会聚在像面处，得到大视场、高分辨率、高光能利用率的像。
11.本发明依据材料折射率与波长的关系，获得棱镜在指定波段间隔内的色散值，建立玻璃对的均匀色散理想表达式，得出棱镜组顶角大小总色散值，选出适用范围内的棱镜组合作为成像光谱仪的分光元件，有效校正色散非线性。从常用玻璃库中挑选火石玻璃和石英玻璃，将火石玻璃的后表面镀上反射膜。作为offner系统中的凸面反射镜，减小系统体积和质量。
12.本发明利用两个曲面棱镜构成系统的分光部分，一定程度上减轻了色散非线性，并在第二棱镜后表面处引入自由曲面，拓展优化自由度，提升系统的像差平衡能力。自由曲面面形为非旋转对称，与标准球面和非球面相比，自由曲面对像差有着更显著的补偿和校正能力，有提升系统视场和光谱分辨率的能力。
13.本发明采用的棱镜组由两块材料不同的曲面棱镜组成，通过对玻璃材料的合理选择，实现非线性色散校正；入射光两次通过棱镜组实现四次色散，在相同设计指标下，减少棱镜数量和系统体积，使得结构更为紧凑。本发明通过引入自由曲面和曲面棱镜，仅利用两块棱镜和一片反射镜，将视场提升至70～80mm，并使光线两次经过棱镜组，提高了色散率。由于曲面棱镜具备色散和聚焦功能，但在子午方向失去对称性，导致像散为其固有像差，且引入的分光元件也破坏offner型结构对称性存在较大像散，因此，系统两处引入自由曲面，对各波长和视场的光线平衡和校正像差。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1.本发明引入自由曲面棱镜，仅用两块材质不同的曲面棱镜构成系统分光部分，且使光束两次通过曲面棱镜组，保证高光能利用率的同时，有效抑制色散非线性；在自由曲面棱镜后表面镀上反射膜，减小系统体积和质量。
15.2. 本发明将入射光反射和分光反射设置在同一片自由曲面反射镜的不同区域，便于装调；自由曲面和曲面棱镜相结合，有效平衡由于曲面棱镜子午方向失去对称性而引入的像散，同时畸变改善明显，谱线弯曲控制在6μm内，谱带弯曲控制在0.5μm内，利于光谱标定和后期图像处理。
16.3.本发明利用了同心光学系统和棱镜色散的优势，数值孔径大、入射光通量高，引入光学元件少，仅由两块曲面棱镜和一片反射镜构成，结构简单紧凑、易于装调，具有实际应用价值。
附图说明
17.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2是本发明实施例中玻璃折射率随波长变化的原理示意图；图3是本发明实施例提供的曲面棱镜分光镜的结构示意图；
=-4.49
×
10-3
， =3.43
×
10-3
， =7.638
×
10-4
， =2.12
×
10-3
， =-3.2
×
10-3
， =3.958
×
10-3
， =-2.912
×
10-4
， =8.872
×
10-4
。
23.本实施例提供的分光成像系统成像时，光线经入射狭缝1到达自由曲面反射镜2的入射光反射区发生反射；反射光依次经过曲面棱镜分光镜组的曲面棱镜3和自由曲面棱镜4后，由自由曲面棱镜后表面41反射，再依次经过自由曲面棱镜和曲面棱镜，光能利用率高，色散线性性好，达到色散分光的效果；经色散分光后的光束再次入射到自由曲面反射镜上，不同波长的入射光经自由曲面反射镜的分光反射区反射后会聚在像面5处。
24.参见附图2，它是本实施例所述玻璃折射率随波长变化的原理示意图，棱镜色散系统的本质缺点为色散的非均匀性，这是由棱镜光学材料的折射率所决定的。当使用棱镜作为分光元件的成像系统时，光谱采样间隔是随波长变化的。设棱镜的色散率为，则，它表示材料的折射率随波长的变化程度。若某光学玻璃棱镜的楔角为：它在整个波段的色散值为a，在短波方向的很小波段间隔内的色散值为b，在长波方向的相同波长间隔的色散值为c，则有：同波长间隔的色散值为c，则有：同波长间隔的色散值为c，则有：通常，玻璃材料的折射率都随着波长的增大而减小，故上述三式中括号内均为正值。为校正色散的非均匀性，将另一材料的棱镜取相对顶角，即引入负值。
25.参见附图3，它是本实施例提供的分光棱镜对的结构示意图，设第一种棱镜的楔角为，第二种棱镜的楔角为，则第一种棱镜对应的色散值为a1、b1和c1，第二种棱镜对应的色散值为a2、b2和c2，玻璃对的均匀色散方程表示如下：棱镜对的总色散值表示为：从常用玻璃库中筛选火石玻璃和石英玻璃作为棱镜对，选出适用范围内效果较好且易于加工的棱镜组合作为成像系统的分光元件，有效校正非线性色散。在火石玻璃的后表面直接镀上反射膜，使光束两次经过曲面棱镜组，减小系统体积和质量，保持系统对称性，同时在光学设计上为像差校正提供更高的自由度。
26.本实施例各光学元件的参数参见表1所示。
27.表1：
本实施例中，曲面棱镜3的材料折射率n1=1.755，阿贝数v1=27.58；自由曲面棱镜4的材料折射率n2=1.458，阿贝数v2=67.82。
28.采用本实施例提供的一种分光成像系统，其成像方法步骤如下：（1）光线经入射狭缝1后由自由曲面反射镜2的入射光反射区将发散的入射光线会聚；（2）将步骤（1）得到的会聚光线入射至由一块曲面棱镜3和一块自由曲面棱镜4组成的曲面棱镜分光镜组，在曲面棱镜分光镜组内经折叠光路四次色散处理，实现分光和像差平衡，得到非线性色散校正的不同视场和波长的发散单色光线；（3）将步骤（2）得到的不同视场和波长的发散单色光线入射至自由曲面反射镜的分光反射区，经像差平衡后会聚成像于像面5处。
29.本实施例提供的分光成像系统的性能参数参见表2所示。
30.表2:光谱范围（nm）400～800数值孔径0.1像平面色散宽度（mm）2狭缝长度（mm）70短波长光谱分辨率（nm）＜1长波长光谱分辨率（nm）＜8光谱通道数200谱线弯曲（μm）＜6谱带弯曲（μm）＜0.5参见附图4，它是本实施例提供的分光成像系统在全视场工作波段中的聚焦光斑rms半径曲线图，曲线（a）是全视场全工作波段的rms半径，曲线（b）是衍射极限下全工作波段的rms半径。由图4可知，在全视场全工作波段中，系统的rms半径小于5.2μm，接近衍射极限rms半径，能量集中，满足使用要求。
31.参见附图5，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曲线图；图中，（a）图，（b）图和（c）图分别对应本实施例提供的成像光谱仪在波长分别为0.4μm、0.6μm、0.8μm对应像面上的所有视场传递函数mtf曲线。由图3可得，在70lp/mm下0.4μm到0.8μm工作波段全视场的光学传递函数均大于0.3，接近衍射极限，曲线平滑紧凑，说明
此系统成像清晰、均匀，在全波段以及全视场具有很好的成像质量。
32.本发明技术方案提供的采用自由曲面棱镜的大视场分光成像系统，仅由三个光学元件组成，通过引入自由曲面和曲面棱镜平衡校正系统像差，提升光能量利用率和光谱分辨率。系统采用同心结构，易于校正畸变，并且具有平像场、体积小和质量轻等优点；同时，筛选适用范围内的棱镜组作为系统分光元件，校正色散非线性，利于光谱标定。系统集自由曲面和曲面棱镜于一体，实现像差平衡尤其是像散，抑制色散非线性，且具备大视场、高光能利用率、高分辨率的特性，光学元件少、体积小，具有广泛应用前景。