一种用于大数值孔径快照式成像光谱仪的分光成像方法及其系统

1.本发明涉及一种适用于大数值孔径快照式成像光谱仪的分光成像方法及其系统。


背景技术：

2.光谱成像系统可同时获得被测目标的二维空间信息和一维光谱信息，实现对目标物体精准鉴别与分析。
3.扫描型光谱成像技术通过扫描以获取目标场景的空间和光谱信息,但无法在一次曝光内同时获取完整图像光谱信息,因而限制了扫描型成像光谱仪在快速运动或变化目标的监测等方面的应用；同时，扫描型成像光谱仪对其推扫平台或自身扫描机构的运动精度和稳定性都有很高要求,且易受外部震动影响,增加了运动部件的加工难度和成本。
4.快照式光谱成像技术无需扫描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，实现动态目标的实时高光谱成像，是一种新颖的光谱成像技术。分光元件或分光成像系统作为快照式成像光谱仪的核心部分，决定了系统的光谱分辨率和成像性能。常见的分光元件有滤光片、棱镜、光栅等，基于滤光片分光的快照式成像光谱仪，光谱分辨率较低，而棱镜分光能力较差，且非线性色散严重影响光谱分辨率。现有文献所报道的快照式分光成像系统，其数值孔径和成像视场通常偏小。
5.在本发明作出之前，文献“microlens array snapshot hyperspectral microscopy system for the biomedical domain,
”ꢀ
（applied optics, 60(7), 2021)报道了一种基于光栅-棱镜组合分光元件的透射式分光成像系统，由准直透镜组、棱镜光栅组合分光元件、聚焦透镜组构成，分光成像光学系统通过对双高斯结构进行复杂化设计，得到6片透镜构成的准直透镜组和6片透镜构成的聚焦透镜组，实现了宽波段、宽视场成像，达到了设计目的，但存在以下不足：一是系统采用平面光栅作为主要分光元件，平面光栅引入较大的谱线弯曲和色畸变等像差，严重影响系统光谱分辨率与空间分辨；二是准直物镜与聚焦物镜采用较为复杂的双高斯结构作为初始结构，设计难度大且难以实现更大的数值孔径；三是系统镜片数较多、结构较为复杂，共使用了12片透镜、一片棱镜和一片光栅，加工及装调难度大。


技术实现要素：

6.本发明针对现有技术存在的不足，提供一种能有效提高光谱分辨率和成像质量，系统结构简单紧凑、易于加工装调的用于大数值孔径快照式成像光谱仪的分光成像方法及其系统。
7.本发明所采用的技术方案是提供一种用于大数值孔径快照式成像光谱仪的分光成像系统，它为共轴、共光路、近似同心结构，包括三片球面折射透镜和一片凹面光栅；按光线入射方向，依次为：前表面为平面的平凸透镜，弯向光线入射方向的第一片弯月透镜，背向光线入射方向弯曲的第二片弯月透镜，弯向光线入射方向的凹面光栅；系统的孔径光阑
设置在凹面光栅上；所述平凸透镜、第一片弯月透镜和第二片弯月透镜，它们的光焦度依次为φ2、φ3和φ4，0.013 mm-1
≤φ2≤0.0135 mm-1
、-0.0008 mm-1
≤φ3≤-0.0007 mm-1
和-0.0012 mm-1
≤φ4≤-0.001 mm-1
；它们的玻璃材料折射率依次为n2、n3和n4，1.45≤n2≤1.51，1.50≤n3≤1.55，1.50≤n4≤1.6；它们的玻璃材料阿贝数依次为v2、v3和v4, 80≤v2≤82, 50≤v3≤55和40≤v4≤42;所述凹面光栅的光栅刻线密度g，40 lp/mm≤g≤60 lp/mm。
8.本发明提供的一种用于大数值孔径快照式成像光谱仪的分光成像系统的一个优选方案是：所述平凸透镜的后表面、第一片弯月透镜的前表面和后表面、第二片弯月透镜的前表面和后表面，各表面的曲率半径依次对应为r
21
、r
31
和r
32
、r
41
和r
42
，满足条件35mm≤r
21
≤40 mm、30 mm≤r
31
≤35 mm和35 mm≤r
32
≤45 mm、220 mm≤r
41
≤240 mm和150 mm≤r
42
≤170 mm；凹面光栅的曲率半径r5，150 mm≤r5≤170 mm。
9.本发明技术方案还包括一种用于大数值孔径快照式成像光谱仪的分光成像方法，采用如上所述的分光成像系统，包括如下步骤：（1）物面出射的复色光线入射至平凸透镜，将大孔径的光线会聚后再依次通过第一片弯月透镜和第二片弯月透镜透射进一步会聚后，将减小了发散角的复色发散光线传播至凹面光栅；（2）凹面光栅将步骤（1）得到的复色发散光分光，得到不同波长的单色会聚光线反射出射；（3）步骤（2）出射的不同波长的单色会聚光线再依次通过第二片弯月透镜、第一片弯月透镜和平凸透镜透射聚焦后，成像于像面。
10.本发明提供的分光成像系统，采用共轴同心设计，并将两片弯月透镜设计为背靠背结构形式，增大了系统的数值孔径，有效提升了系统的集光能力和系统分辨率；同时，采用了共光路结构，系统更加简单紧凑，扩大了分光成像系统的使用范围。
11.与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：1、本发明提供的分光成像方法，采用共轴同心共光路的分光成像系统，物面出射的大孔径复色光线先通过三片折射球面透镜会聚后，经凹面光栅分光反射，聚焦于像面成像，分光成像系统具有结构紧凑、体积更小、易于加工装调、稳定性强的特点，有利于快照式成像光谱仪的小型化和便携化。
12.2、本发明提供的分光成像系统，通过对三片透镜的玻璃材料合理选择，并进行复杂化设计，在实现像差校正与平衡的同时增大了光学镜头的数值孔径，显著提升了系统的集光能力和分辨率。
13.3、本发明提供的分光成像系统将两片弯月透镜设计成背靠背形式，像差校正能力强，谱线弯曲和色畸变较小，成像质量好，可实现大孔径分光成像。
14.4、本发明提供的分光成像系统，三片折射透镜的表面面型均为球面，且均采用国产玻璃材料，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
15.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.平凸透镜；3.第一片弯月透镜；4.第二片弯月透镜；5.凹面光栅；6.像面；21.平凸透镜的后表面；31.第一片弯月透镜的前表面；32.第一片弯月透镜的后表面；41.第二片弯月透镜的前表面；42.第二片弯月透镜的后表面；图2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3是本发明实施例所述的分光成像系统的传递函数mtf曲线图；图4是本发明实施例所述的分光成像系统的圈入能量集中度曲线图。
具体实施方案
16.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。
17.实施例1:本实施例提供一种大孔径紧凑型快照式分光成像系统，系统的光学镜头由3片折射球面透镜和一片凹面光栅组成,物方数值孔径na=0.33，物方视场φ=14mm
×
4mm，工作波长为400nm～700nm。
18.参见附图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6处于同一侧，按光线入射方向，光学元件依次为平凸透镜2、第一片弯月透镜3、第二片弯月透镜4和凹面光栅5；其中，平凸透镜2的前表面为平面，第一片弯月透镜3弯向光线入射方向，第二片弯月透镜4背向光线入射方向弯曲，凹面光栅5弯向光线入射方向。
19.平凸透镜、第一片弯月透镜和第二片弯月透镜，它们的光焦度依次为φ2、φ3和φ4，单位为mm-1
，0.013≤φ2≤0.0135、-0.0008≤φ3≤-0.0007和-0.0012≤φ4≤-0.001；它们的玻璃材料折射率依次为n2、n3和n4，1.45≤n2≤1.51，1.50≤n3≤1.55，1.50≤n4≤1.6；它们的玻璃材料阿贝数依次为v2、v3和v4,80≤v2≤82,50≤v3≤55和40≤v4≤42。
20.图1中，平凸透镜的后表面21、第一片弯月透镜的前表面31和后表面32、第二片弯月透镜的前表面41和后表面42，它们的曲率半径依次对应为r
21
、r
31
和r
32
、r
41
和r
42
，单位为mm，满足条件35≤r
21
≤40、30≤r
31
≤35和35≤r
32
≤45、220≤r
41
≤240和150≤r
42
≤170；光栅曲率半径为r5，150mm≤r5≤170mm。
21.凹面光栅的光栅刻线密度g，40lp/mm≤g≤60lp/mm。
22.本实施例中各光学元件的参数如表1所示。
23.表1：
在本实施例中，凹面光栅的刻线密度为42线/毫米。
24.本实施例提供的分光成像系统，筒长l=160mm。
25.采用本实施例提供的分光成像系统，分光成像的方法是：物面1处的出射复色光线入射至平凸透镜2，将大孔径的光线进行会聚后依次入射到第一片弯月透镜3和第二片弯月透镜4，进一步对光线进行会聚，将发散角减小后的复色发散光线传播至凹面光栅5；复色发散光线经凹面光栅分成不同波长的单色会聚光线，并反射出射；不同波长的单色会聚光线再依次入射至第二片弯月透镜、第一片弯月透镜和平凸透镜，光线经聚焦后成像于像面6，从而完成成像过程。
26.参见附图2，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、550nm和700nm三个波长对应的各个视场的点列图均方根半径小于1μm，点列图几何半径小于3μm，成像质量好。
27.参见附图3，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3可知，在166 lp/mm下400nm、550nm和700nm波长的各视场的mtf值均大于0.55，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。
28.参见附图4，它是本实施例提供的分光成像系统700nm波长的圈入能量集中度曲线，由图4可见，80%以上的能量集中在airy斑范围内点，能量较为集中。
29.本发明技术方案提供的快照式分光成像系统，仅由三片透镜和一片凹面光栅组成，通过对三片透镜的玻璃材料合理选择和进一步的结构设计，有效提升了镜头成像的数值孔径，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、分辨率高的光学像。
30.本发明技术方案所提供的分光成像方法，其分光成像系统经严格的像差校正，具有大数值孔径、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，可用于光谱成像领域，应用前景广阔。