【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及快照式光谱成像系统的成像光谱仪，尤其是指一种用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法。
技术介绍
1、光谱成像技术是环境监测与物质分析的重要实现手段，它作为新一代的空间光学遥感仪器，具有巨大应用价值及广阔的发展前景。成像光谱仪能够同时采集目标区域的地物形貌特征及光谱特征，结合物质独特的光谱特征并对目标范围进行识别与检测，具有图谱合一性。成像光谱仪应用广泛，如用于检测荧光剂、重金属残留，水果蔬菜的农药残留，伪装目标识别以及有害气体检测等。随着成像光谱仪的不断发展，对于此类系统的技术指标，如数值孔径、分辨率、对微弱信号的探测能力等提出了更高的需求；另一方面，相比于传统高光谱成像技术，快照式光谱成像可省略推扫步骤，从而实现实时光谱图像的获取，具有获取实时光谱图像的优异能力，成为目前光学设计的热点之一。
2、在采用传统光学器件的成像光谱仪中，一般采用光栅、棱镜或滤光片作为系统的分光部分。与其他分光方式相比，光栅分光能在可见及近红外波段获取线性度较高的光谱图像，存在衍射效率低等问题；采用滤光片分光的光谱成像系统光谱通道数受限于滤光片数量，难以实现高光谱分辨率成像；平面棱镜须放置在平行光路中进行分光，以免系统引入严重像差，这增加了光学元件的复杂程度；将普通棱镜的前后表面替换为标准球面构成曲面棱镜，使得此类棱镜不仅具有色散能力，还具备对光束的会聚或发散能力，相比于普通平面棱镜，曲面棱镜引入更低额外像差及光谱畸变。初始offner结构中，三个反射镜共心放置且曲率半径比为1：2，光路对称性使得系统的三级和五级彗差为零，主三镜
3、现有文献所报道的积分视场型光谱仪中，存在采用棱镜作为分光元件提升系统信噪比的前提下，高数值孔径、高光谱分辨率无法同时实现的不足，参见中国专利cn110319932a，该系统基于offner初始结构并依据主镜与三镜分离的设计思路，牺牲系统原本的同心性来提升反射镜处偏心及倾斜等自由度，设计了一种采用曲面棱镜分光的光谱成像系统。该成像光谱仪的光学元件包括三片球面反射镜和两片曲面棱镜，有效校正系统离轴像差，尤其是像散，实现了对宽成像视场成像，但由于结构本身同心性的缺失，该系统无法有效校正孔径有关像差，因此仅实现低数值孔径成像，且受限于光路放置，入射光束仅经过两次曲面棱镜分光，系统的光谱分辨率低；系统光学元件中的主镜与三镜分离，加大了后期系统的安装校准难度。
4、参见文献，“design of a small offner dispersive hyperspectral imagingsystem,”(journal of changchun university of science and technology,41(4),2018)，报道了一种基于offner结构与曲面棱镜色散的光谱成像系统。该系统光学元件包括两片曲面棱镜与两片球面反射镜。该系统在初始offner结构的上臂和下臂同时引入共两片曲面棱镜，以保证系统对称性，较好地校正了视场有关像差。由于曲面棱镜仅对小孔径光束消像散，系统入射光的数值孔径受到限制，难以实现高数值孔径成像；另一方面，受限于光路放置，入射光束仅两次经过曲面棱镜分光，导致系统光谱通道数较少。
5、因此，设计一种实现高数值孔径、高光能量利用率、高光谱分辨率的积分视场型快照式光谱成像系统，以解决目前大多分光成像系统存在的问题，这对于快照式光谱成像技术的推广及应用具有重大实际意义。
技术实现思路
1、为此，本专利技术所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的不足，提供一种高数值孔径、低光谱畸变、高空间及光谱分辨率光谱成像的用于积分视场成像光谱仪的曲面棱镜型分光成像方法。
2、为解决上述技术问题，本专利技术提供了一种用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，包括：所述分光成像系统的光学元件共光路、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、弯向光线入射方向的第一片曲面棱镜、弯向光线入射方向的凹球面反射镜以及弯向光线入射方向的第二片曲面棱镜；
3、上述用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，包括如下步骤：
4、s1、来自物面的复色入射光线，入射至弯月透镜；
5、s2、弯月透镜对复色光进行会聚；
6、s3、大孔径复色光束经过弯月透镜后会聚入射至第一片曲面棱镜，第一片曲面棱镜对光束进行第一次分光与像差校正；
7、s4、光束经过第一片曲面棱镜透射至凹球面反射镜，光束得到进一步会聚，并反射至第一片曲面棱镜，第一片曲面棱镜对光束进行第二次分光与像差校正；
8、s5、光束经过第一片曲面棱镜透射至弯月透镜后表面处；
9、s6、弯月透镜后表面将会聚的复色光束反射并发散至第二片曲面棱镜处，第二片曲面棱镜对光束进行第三次分光与像差校正；
10、s7、光束经过第二片曲面棱镜透射至凹球面反射镜，光束会聚并反射至第二片曲面棱镜，第二片曲面棱镜对光束进行第四次分光与像差校正；
11、s8、光束会聚于弯月透镜处，光束被进一步会聚并最终成像在像方像平面上。
12、本专利技术的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，该系统由弯月透镜、凹球面反射镜、第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜构成，物面处出射的复色光线入射至弯月透镜，会聚大孔径角光束，校正像差后入射至第一片曲面棱镜，复色发散光经曲面棱镜分成不同波长的单色会聚光线，校正像差后入射至凹球面反射镜，光线反射并会聚，不同波长的单色会聚光线再经第一片曲面棱镜分光、校正像差后，入射至弯月透镜后表面处，弯月透镜的后表面设有高反射膜，复色光反射并发散至第二片曲面棱镜，不同波长的单色发散光线经曲面棱镜分光，校正像差后入射至凹球面反射镜，光线反射并会聚，不同波长的单色会聚光线再经第二片曲面棱镜分光、校正像差后，再次经弯月透镜会聚与校正像差后，聚焦成像于像面。光学系统光路为离轴三反射镜成像，且具有共光路结构特点，系统具有显著色散能力且结构紧凑。本专利技术提供的分光成像方法具有高数值孔径、高光能利用率、高光谱分辨率的特点。
13、在本专利技术的一个实施例中，所述弯月透镜的后表面上镀有高反射膜，所述高反射膜形成反射面。
14、在本专利技术的一个实施例中，上述步骤s5中，光束经过第一片曲面棱镜透射至弯月透镜后表面处的高反射膜上进行反射。
15、在本专利技术的一个实施例中，靠近系统光阑处采用非球面可以校正与孔径有关的像差，弯月透镜后表面r22为偶次非球面，偶次非球面的子午截面方程表示为：
16、
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1.一种用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于，包括：所述分光成像系统的光学元件共光路、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、弯向光线入射方向的第一片曲面棱镜、弯向光线入射方向的凹球面反射镜以及弯向光线入射方向的第二片曲面棱镜；
2.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：所述弯月透镜的后表面上镀有高反射膜，所述高反射膜形成反射面。
3.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：上述步骤S5中，光束经过第一片曲面棱镜透射至弯月透镜后表面处的高反射膜上进行反射。
4.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：靠近系统光阑处采用非球面可以校正与孔径有关的像差，弯月透镜后表面R22为偶次非球面，偶次非球面的子午截面方程表示为：
5.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：所述弯月透镜的前表面、第一片曲面棱镜、凹球面反射镜和第二片曲面棱镜均由标准球面构成。
6.根据权利要求5所
7.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：系统的物方数值孔径NA的取值范围为0.18≤NA≤0.21，筒长L的取值范围为260mm≤L≤290mm。
8.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：所述第一片曲面棱镜的折射率为n3，1.72≤n3≤1.74，所述第二片曲面棱镜的折射率为n5，1.91≤n5≤1.94。
9.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：所述第一片曲面棱镜的阿贝数为v3，27≤v3≤30，所述第二片曲面棱镜的阿贝数为v5，19≤v5≤23。
10.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：所述第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜分别设置在凹球面反射镜光轴的两侧，并且第一片曲面棱镜和第二片曲面棱镜交错设置。
...【技术特征摘要】
1.一种用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于，包括：所述分光成像系统的光学元件共光路、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、弯向光线入射方向的第一片曲面棱镜、弯向光线入射方向的凹球面反射镜以及弯向光线入射方向的第二片曲面棱镜；
2.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：所述弯月透镜的后表面上镀有高反射膜，所述高反射膜形成反射面。
3.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：上述步骤s5中，光束经过第一片曲面棱镜透射至弯月透镜后表面处的高反射膜上进行反射。
4.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：靠近系统光阑处采用非球面可以校正与孔径有关的像差，弯月透镜后表面r22为偶次非球面，偶次非球面的子午截面方程表示为：
5.根据权利要求1所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：所述弯月透镜的前表面、第一片曲面棱镜、凹球面反射镜和第二片曲面棱镜均由标准球面构成。
6.根据权利要求5所述的用于积分视场光谱成像仪的分光成像方法，其特征在于：按光线入射方向，...
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