CN117492208B - 一种k域光谱仪棱镜的设计方法 - Google Patents

一种k域光谱仪棱镜的设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及光谱信息处理技术领域，提供一种K域光谱仪棱镜的设计方法。具体为首先基于光栅与聚焦镜头之间***普通棱镜的方法进行计算，得到该情况下的相机像素上的不同波长光线的位置偏差，然后，根据此误差修改棱镜的表面曲率，以消除不同波长光线的位置偏差。本发明能够实现在相机上采集到的光谱信息在k域上完全线性，能够提高OCT***的成像分辨率，并且能够改善光谱仪的滚降性能，并且由于直接采集到了k域线性的光谱信息，在图像重建的过程中不需要再做k域插值步骤，降低了图像重建过程中的计算量，提高了成像速度。

Description

一种K域光谱仪棱镜的设计方法
技术领域
本发明涉及光谱信息处理技术领域，尤其涉及一种K域光谱仪棱镜的设计方法。
背景技术
OCT光学相干层析成像在通过光谱仪探测光谱信息之前，光谱仪采集到的光谱信息在波长范围内基本上是线性的，然而在图像重建的过程中，我们所需要的是线性的波数-强度信息。所以，在图像重建之前，通常需要对采集到的强度信息进行k域插值。
K域插值过程使得图像重建引入大量的计算，成像速度缓慢，此后，研究表明在光栅和镜头之间***一个普通棱镜，使得在k域的线性度有了改善，不过***普通棱镜后的图像重建误差仍有几十微米，是仅有10微米的像素点的数倍，造成图像重建质量较低，所以光谱信息的线性度仍亟待改善。
发明内容
本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种K域光谱仪棱镜的设计方法。
本发明提供一种K域光谱仪棱镜的设计方法，包括：
S1：将单位波段的光束入射光谱仪，计算获得所述单位波段的波数范围；
S2：对所述波数范围进行均匀采样，获得线性波数向量及线性波数向量对应的多个波长值的波长值集合；
S3：基于所述波长值集合，通过光线追迹法，计算获得所述波长值集合中单条光线经过衍射光栅及棱镜后的出入射角度集合；
S4：根据所述波长值集合中不同波长光线的出入射角度集合，计算获得单个波长值集合中不同波长光线的实际聚焦位置集合；
S5：基于所述波长值集合的取值范围，获得理想聚焦范围，对所述理想聚焦范围进行均匀采样，获得单个波长值集合中不同波长光线的理想聚焦位置集合；
S6：根据所述实际聚焦位置集合及所述理想聚焦位置集合计算获得位置偏差；
S7：基于所述位置偏差，调整所述光谱仪中的棱镜的表面曲率，以完成K域光谱仪的聚焦位置校准。
根据本发明提供的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，所述光谱仪至少包括准直器、反射镜、衍射光栅及棱镜。
根据本发明提供的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，步骤S3中的所述出入射角度集合包括衍射光栅的衍射角度、棱镜第一面的入射角度及出射角度、棱镜第二面的入射角度及出射角度。
根据本发明提供的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，步骤S4进一步包括：
获取所述实际聚焦位置集合时，聚焦透镜垂直于单个波长值集合中不同波长光线经过棱镜第二面的出射角度最大值与出射角度最小值的角平分线放置。
根据本发明提供的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，步骤S6中的位置偏差的表达式为：
其中，为单条光线的位置偏差，/>为单条光线的理想聚焦位置，为单条光线的实际聚焦位置。
根据本发明提供的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，步骤S7进一步包括：
S71：基于步骤S3中计算获得的位置偏差，计算获得单个波长值集合中不同波长光线的聚焦位置为理想线性情况下的棱镜第二面的理想出射角度；
S72：改变棱镜第二面的入射角度，直至所述棱镜第二面满足所述理想出射角度，获得理想入射角度；
S73：根据所述理想入射角度和所述理想出射角度获得棱镜的表面曲率。
根据本发明提供的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，步骤S71中的所述理想出射角度的表达式为：
其中，为理想出射角度，/>为单位波段的光束经过棱镜第二面实际的出射角度，/>为单个波长值集合中不同波长光线经过棱镜第二面实际的出射角度的最小值，/>为单个波长值集合中不同波长光线经过棱镜第二面实际的出射角度的最大值，/>为第/>条光线的位置偏差，/>为聚焦透镜焦距。
根据本发明提供的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，步骤S72中的所述理想入射角度的表达式为：
其中，为理想入射角度，/>为棱镜第二面经过步骤S72改变前的入射角度，/>为第/>条光线在棱镜中的折射率，/>为空气折射率。
本发明提供的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，首先基于光栅与聚焦镜头之间***普通棱镜的方法进行计算，得到该情况下的相机像素上的不同波长光线的位置偏差，然后，根据此误差修改棱镜的表面曲率，以消除不同波长光线的位置偏差。
本发明能够实现在相机上采集到的光谱信息在k域上完全线性，能够提高OCT***的成像分辨率，并且能够改善光谱仪的滚降性能，提高OCT***的成像深度及图像信噪比；此外，由于直接采集到了k域线性的光谱信息，在图像重建的过程中不需要再做k域插值步骤，降低了图像重建过程中的计算量，提高了成像速度。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的一种K域光谱仪棱镜的设计方法流程示意图。
图2是本发明实施例提供的一种K域光谱仪棱镜的设计方法中真实聚焦位置与理想聚焦位置偏差示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。以下实施例用于说明本发明，但不能用来限制本发明的范围。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明实施例的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明实施例的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明实施例中的具体含义。
在本发明实施例中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明实施例的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
下面结合图1描述本发明的实施例。
本发明提供一种K域光谱仪棱镜的设计方法，包括：
S1：将单位波段的光束入射光谱仪，计算获得所述单位波段的波数范围；
进一步的，使用波段至/>的光通过光栅，得到此波段的最大波数/>与最小波数/>，上述的/>至/>的波段为人工选择的波段范围，即步骤S1中的单位波段。
其中，所述光谱仪至少包括准直器、反射镜、衍射光栅及棱镜。
进一步的，光谱仪还包括镜头和ccd相机，光纤中的光进入光谱仪后，依次经过准直器、反射镜、衍射光栅、普通棱镜，最后进入镜头聚焦在ccd上。
S2：对所述波数范围进行均匀采样，获得线性波数向量及线性波数向量对应的多个波长值的波长值集合；
进一步的，对步骤S1中获得波数范围进行/>等分得到波数/>（向量），所对应的不同波长的光会以不同的角度/>出射。
S3：基于所述波长值集合，通过光线追迹法，计算获得所述波长值集合中单条光线经过衍射光栅及棱镜后的出入射角度集合；
其中，步骤S3中的所述出入射角度集合包括衍射光栅的衍射角度、棱镜第一面的入射角度及出射角度、棱镜第二面的入射角度及出射角度。
进一步的，本阶段首先令光栅衍射后的光进入普通棱镜，棱镜第一面与光栅法线夹角为,不同波长的入射角度则为/>，从而得到波段的棱镜入射角度/>（向量）。
光在棱镜的第一面发生折射，根据棱镜材质和波长的区别以及折射率方程求出各个波长的折射率以及空气的折射率/>，假设空气折射率为真空中的折射率,从而能够算得上述波长在棱镜第一面上的出射角/>（向量）。
与棱镜第一面相邻的棱镜顶角为，则能求得光线在棱镜第二面上的入射角为（向量），用/>（向量）表示，仍旧通过折射率方程算出光线在棱镜第二面上的出射角/>（向量）。
S4：根据所述波长值集合中不同波长光线的出入射角度集合，计算获得单个波长值集合中不同波长光线的实际聚焦位置集合；
其中，步骤S4进一步包括：
获取所述实际聚焦位置集合时，聚焦透镜垂直于单个波长值集合中不同波长光线经过棱镜第二面的出射角度最大值与出射角度最小值的角平分线放置。
进一步的，上述的角平分线也即中心波数对应的光线方向，即波长值集合中最大波数对应光线和最小波数对应光线间的角度平分线。
进一步的，通过单个波长值集合中不同波长光线经过棱镜第二面实际的出射角度的最小值与最大值，也就是和/>，得到出射角/>的角平分线的角度为
然后令聚焦透镜垂直于此角度放置，透镜焦距为，由于从棱镜出射的不同波长的光的角度不同,所以经聚焦后会成像在CCD不同位置,用/>（向量）表示。
S5：基于所述波长值集合的取值范围，获得理想聚焦范围，对所述理想聚焦范围进行均匀采样，获得单个波长值集合中不同波长光线的理想聚焦位置集合；
S6：根据所述实际聚焦位置集合及所述理想聚焦位置集合计算获得位置偏差；
其中，步骤S6中的位置偏差的表达式为：
其中，为单条光线的位置偏差，/>为单条光线的理想聚焦位置，为单条光线的实际聚焦位置。
进一步的，由波长值集合中的最大波长光线聚焦获得的位置记为，最小波长光线的聚焦位置记为/>，在/>区间内进行均匀采样，采样数量同样为/>,得到/>对应的不同波长光线的理想聚焦位置。
进一步的，图2为在一些实施例中，使用普通棱镜CCD上真实聚焦位置与理想线性位置的误差图，其中横坐标为波数，纵坐标即为获得的实际在CCD上聚焦的位置和理想线性聚焦位置的误差/>，单位为/>。
S7：基于所述位置偏差，调整所述光谱仪中的棱镜的表面曲率，以完成K域光谱仪的聚焦位置校准。
其中，步骤S7进一步包括：
S71：基于步骤S3中计算获得的位置偏差，计算获得单个波长值集合中不同波长光线的聚焦位置为理想线性情况下的棱镜第二面的理想出射角度；
进一步的，由上述的位置偏差公式，可以得到：
然后由上式可以得到下式：
其中，步骤S71中的所述理想出射角度的表达式为：
其中，为理想出射角度，/>为单位波段的光束经过棱镜第二面实际的出射角度，/>为单个波长值集合中不同波长光线经过棱镜第二面实际的出射角度的最小值，/>为单个波长值集合中不同波长光线经过棱镜第二面实际的出射角度的最大值，/>为第/>条光线的位置偏差，/>为聚焦透镜焦距。
其次，根据折射率公式：
可以计算得到，此时这个角度是与原先棱镜第二面（平面）法线的角度。
S72：改变棱镜第二面的入射角度，直至所述棱镜第二面满足所述理想出射角度，获得理想入射角度；
进一步的，通过步骤S72后，获得了棱镜第二面的理想的入射角度，由于光线在空间的绝对的角度不变，改变这个入射角度需通过改变棱镜第二面曲率实现，即此处曲率的切线和原来第二面的之间的角度差，表示为：其中曲率的切线和改变后棱镜第二面的之间的角度差。
其中，步骤S72中的所述理想入射角度的表达式为：
其中，为理想入射角度，/>为棱镜第二面经过步骤S72改变前的入射角度，/>为第/>条光线在棱镜中的折射率，/>为空气折射率，所述空气折射率为真空折射率，且由于环境近似真空环境，故不同波长的光线的折射率相同。
进一步的，上述的理想入射角度是通过改变棱镜第二面的曲率实现的，因为光线的绝对角度不变，通过改变曲率会导致法线改变，所以会导致入射角度变化。
S73：根据所述理想入射角度和所述理想出射角度获得棱镜的表面曲率。
为了弥补步骤S6获得的位置偏差，我们设计将棱镜第二面的平面改成曲面，由于面的改变导致入射角的改变，出射角的参考法线位置也会改变，所以出射角会变，然后再次利用折射率公式其他波长的光同理，可将棱镜第二面的曲率曲线求得，进而根据其加工棱镜第二面，而以上以改变棱镜第二面的曲率为例，另外，改变棱镜第一面或者同时改变第一第二面都能达到相同的效果。
通过本发明提供的方法，能够实现在相机上采集到的光谱信息在k域上完全线性，能够提高OCT***的成像分辨率，并且能够改善光谱仪的滚降性能，提高OCT***的成像深度及图像信噪比。此外，由于直接采集到了k域线性的光谱信息，在图像重建的过程中不需要再做k域插值步骤，降低了图像重建过程中的计算量，提高了成像速度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种K域光谱仪棱镜的设计方法，其特征在于，包括：
S1：将单位波段的光束入射光谱仪，计算获得所述单位波段的波数范围；
S2：对所述波数范围进行均匀采样，获得线性波数向量及线性波数向量对应的多个波长值的波长值集合；
S3：基于所述波长值集合，通过光线追迹法，计算获得所述波长值集合中单条光线经过衍射光栅及棱镜后的出入射角度集合；
S4：根据所述波长值集合中不同波长光线的出入射角度集合，计算获得单个波长值集合中不同波长光线的实际聚焦位置集合；
S5：基于所述波长值集合的取值范围，获得理想聚焦范围，对所述理想聚焦范围进行均匀采样，获得单个波长值集合中不同波长光线的理想聚焦位置集合；
S6：根据所述实际聚焦位置集合及所述理想聚焦位置集合计算获得位置偏差；
S7：调整所述光谱仪中的棱镜的表面曲率直至消除所述位置偏差，以完成K域光谱仪的棱镜设计。
2.根据权利要求1所述的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，其特征在于，所述光谱仪至少包括准直器、反射镜、衍射光栅及棱镜。
3.根据权利要求2所述的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，其特征在于，步骤S3中的所述出入射角度集合包括衍射光栅的衍射角度、棱镜第一面的入射角度及出射角度、棱镜第二面的入射角度及出射角度。
4.根据权利要求3所述的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，其特征在于，步骤S4进一步包括：
获取所述实际聚焦位置集合时，聚焦透镜垂直于单个波长值集合中不同波长光线经过棱镜第二面的出射角度最大值与出射角度最小值的角平分线放置。
5.根据权利要求1所述的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，其特征在于，步骤S6中的位置偏差的表达式为：
其中，为单条光线的位置偏差，/>为单条光线的理想聚焦位置，为单条光线的实际聚焦位置。
6.根据权利要求1所述的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，其特征在于，步骤S7进一步包括：
S71：基于步骤S3中计算获得的位置偏差，计算获得单个波长值集合中不同波长光线的聚焦位置为理想线性情况下的棱镜第二面的理想出射角度；
S72：改变棱镜第二面的入射角度，直至所述棱镜第二面满足所述理想出射角度，获得理想入射角度；
S73：根据所述理想入射角度和所述理想出射角度获得棱镜的表面曲率。
7.根据权利要求6所述的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，其特征在于，步骤S71中的所述理想出射角度的表达式为：
其中，为理想出射角度，/>为单位波段的光束经过棱镜第二面实际的出射角度，/>为单个波长值集合中不同波长光线经过棱镜第二面实际的出射角度的最小值，/>为单个波长值集合中不同波长光线经过棱镜第二面实际的出射角度的最大值，为第/>条光线的位置偏差，/>为聚焦透镜焦距。
8.根据权利要求7所述的一种K域光谱仪棱镜的设计方法，其特征在于，步骤S72中的所述理想入射角度的表达式为：
其中，为理想入射角度，/>为棱镜第二面经过步骤S72改变前的入射角度，/>为第/>条光线在棱镜中的折射率，/>为空气折射率。
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