CN100590403C - 横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构，包括衍射透镜；还包括位于衍射透镜一侧的消像差透镜；衍射透镜位于消像差透镜的焦平面上。本发明还提供一种横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构的使用方法，使探测器与衍射透镜、消像差透镜发生相对运动可获得光谱图像。本发明成像结构横向放大率恒定，其有效焦距f_c由消像差透镜的焦距f₂决定，衍射透镜的焦距可以很大，由系统的光谱分辨率来决定，这样就降低了衍射透镜的加工难度，同时解决了背景技术中系统横向放大倍率随波长变化和衍射透镜加工难的技术问题。本发明成像结构的部件简单易得，实施容易，使用方便。

Description

横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构及其使用方法

技术领域

本发明涉及成像光谱技术，尤其是一种横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构及其使用方法。

背景技术

成像光谱仪是近年来随着对地观测的需要和光电技术的进步而发展起来的新一代遥感仪器，它将传统二维成像遥感技术与光谱仪技术有机结合在一起，能在获取所观测对象二维空间信息的同时，以高光谱分辨率获取目标的光谱图像。由于所获得的光谱图像数据中含有与被观测目标组分有关的光谱信息，可以揭示观测对象的光谱特性、存在状况以及物质成分，从而使直接识别成像目标成为可能。因此，成像光谱仪在大气、海洋和陆地等观测中得到了广泛的应用。

新兴的衍射光学超光谱成像技术就是在这种背景下发展起来的采用步进凝视方式工作的超光谱成像技术，其具有光学结构简单、重量轻、光通量大、信噪比高、凝视成像等突出的优点，是更具有发展潜力的新兴超光谱成像技术。

衍射光学成像光谱仪的基本原理，如图1所示，利用衍射透镜1的轴向色散同时完成成像和色散功能，但其色散不是象传统的光栅那样垂直于光轴色散，而是沿着光轴方向色散，在焦平面处放置面阵探测器3，某一波长λ的辐射成像于该探测器3，但其它波长(例如λ-Δλ、λ+Δλ，图1中F为λ波长相对于衍射透镜1的焦平面、F₁为λ-Δλ波长相对于衍射透镜1的焦平面、F₂为λ+Δλ波长相对于衍射透镜1的焦平面)的辐射都是由于衍射透镜1的色散作用成为模糊的图像，为了获取全波段上的图像和光谱，改变衍射透镜1和探测器3之间的距离并进行数据采集，对系统进行定标并对最终数据采用三维光学切片显微成像技术中的解卷积算法进行图像处理，就可获得一定光谱范围内的光谱图像数据。

从上述衍射光学成像光谱技术的原理中可知，衍射透镜既是分光元件又是成像元件，衍射透镜的焦距随波长变化改变了系统的F数，因此改变了系统的横向放大倍率，即系统放大率是波长的函数，这将引起光谱图像的像元配准误差，得到并不精确的相对光谱信号强度，因此必须采取措施，补偿成像过程中的这一缺点，使不同波长的图像放大倍率相等。现有技术中已有的方法之一(见美国专利US5986758)是对获取的不同放大率的光谱图像进行重采样，处理后得到相同放大率的图像，然后进行光谱图像重建，但这样做可能会产生新的问题，非整数像元采样会引起图像的边缘模糊，导致图像配准误差；另外一种方法为(见美国专利US5986758)，在系统中增加一个变焦系统，使不同波长的图像保持放大率恒定，但增加了光学系统和机械结构的复杂度。另外，在衍射透镜制作上，存在两个限制因素：衍射透镜F数的大小决定了其衍射结构周期及子周期的大小，F数越小，周期及子周期越小；衍射元件的最大有效口径是又一个限制因素，口径的大小与对制作质量的要求有关，就二元光学元件的制作来说，要制造大口径的二元光学元件，在制版，光刻和刻蚀等各道工序上都存在很多困难，基于上述基本结构设计的衍射透镜，F数偏小，造成衍射透镜加工困难。考虑到国内衍射透镜加工工艺条件的限制因素等，设计单一的衍射透镜来实现色散和成像变得不太现实。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构。

为解决上述技术问题，本发明提供一种横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构，包括衍射透镜；还包括位于衍射透镜一侧的消像差透镜；衍射透镜位于消像差透镜的焦平面上；消像差透镜位于衍射透镜的光轴上，在消像差透镜的与衍射透镜相对的一侧，设有探测器，衍射透镜和消像差透镜二者相对位置固定，探测器能够与衍射透镜、消像差透镜沿衍射透镜的轴向方向发生相对运动，即使衍射透镜和消像差透镜二者固定、探测器沿衍射透镜的轴向方向运动，或者，使探测器固定、衍射透镜和消像差透镜沿衍射透镜的轴向方向运动。

在本发明成像结构中，衍射透镜兼作系统的孔径光阑，成像结构的有效焦距f_c为消像差透镜的焦距f₂，横向放大率M为：

$M=-\frac{f_2}{u-f_2}$ -----①

式①中，u为观测目标与消像差透镜第一主面间的距离，f₂为消像差透镜的焦距。可见，当u，f₂固定不变时，本发明成像结构的横向放大率不变。将此成像结构沿光轴方向对所需波段的成像范围进行扫描，在各相应波长位置处由探测器获得光谱图像。所得图像是某一波长准确聚焦所成的像与其它波长在不同离焦位置所成的像的叠加。利用三维光学切片显微成像技术中的三维解卷积算法消除不需要的模糊成分，就可获取某一波长所成的像。

衍射透镜可以采用谐衍射透镜，衍射透镜的衍射面可制作在平面、球面或非球面基底上；消像差透镜可采用透射或反射式消色差光学系统。

本发明所要解决的另一个技术问题是提供一种横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构的使用方法。

为解决该技术问题，本发明提供一种横向放大率的衍射光学成像光谱仪的成像结构的使用方法，获取无穷远处目标的图像时，可使探测器固定不动、沿衍射透镜的轴向方向移动衍射透镜和消像差透镜进行轴向扫描，或者使衍射透镜和消像差透镜固定不动、沿衍射透镜的轴向方向移动探测器进行轴向扫描；获取有限距离处目标的图像时，可使衍射透镜和消像差透镜固定不动、沿衍射透镜的轴向方向移动探测器进行轴向扫描。结合式①，沿衍射透镜的轴向方向移动衍射透镜和消像差透镜进行轴向扫描，u均为∞，f₂是不变的，横向放大率恒定；沿衍射透镜的轴向方向移动探测器进行轴向扫描的情况下，u、f₂是不变的，横向放大率也是恒定的。

本发明可用于可见近红外(0.4～1μm)、中波红外(3～5μm)和长波红外(8～14μm)的衍射光学超光谱成像仪光学遥感系统。

本发明的有益效果是：本发明成像结构横向放大率恒定，其有效焦距f_c由消像差透镜的焦距f₂决定，衍射透镜的焦距可以很大，由系统的光谱分辨率来决定，这样就降低了衍射透镜的加工难度，同时解决了背景技术中系统横向放大倍率随波长变化和衍射透镜加工难的技术问题。本发明成像结构的部件简单易得，实施容易，使用方便。

附图说明

下面通过具体实施方式并结合附图，对本发明作进一步的详细说明：

图1是现有技术中衍射光学成像光谱仪的基本原理示意图；

图2是本发明一种具体实施方式的原理示意图。

具体实施方式

图2示出了本发明的一种具体实施方式。

如图2所示，该成像结构包括衍射透镜1和位于衍射透镜1的光轴上的消像差透镜2、CCD探测器3，衍射透镜1位于消像差透镜2的前焦平面上。为清楚示意该成像结构的成像原理，图2中一并示出了观测目标4。

图2中，P₁是消像差透镜2的第一主面，P₂是消像差透镜2的第二主面，观测目标4与P₁之间的距离为u，像与P₂之间的距离为v，衍射透镜1的焦距为f₁，消像差透镜2的焦距为f₂。

根据几何光学原理，经过简单的计算可知，该成像结构的有效焦距f_c、横向放大率M和像与P₂之间的距离v分别为：

$M=-\frac{f_2}{u-f_2}$ -----①，f_c＝f₂-----②， $v=\frac{f_{2}u}{u-f_2}-\frac{f_2^2}{f_1}$ -----③

从式①中可看出，当u，f₂固定不变时，该成像结构的横向放大率不变。

由式②可知，该成像结构的有效焦距f_c由消像差透镜的焦距f₂决定；由式③可知，像到消像差透镜2第二主面的距离v由衍射透镜1的焦距f₁决定。

将该成像结构沿光轴方向对所需波段的成像范围进行扫描，在各相应波长位置处由探测器获得光谱图像。所得图像是某一波长准确聚焦所成的像与其它波长在不同离焦位置所成的像的叠加。利用三维光学切片显微成像技术中的三维解卷积算法消除不需要的模糊成分，就可获取某一波长所成的像。

使用该成像结构时，如果要获取无穷远处目标的光谱图像，可使探测器3固定不动、沿衍射透镜1的轴向方向移动衍射透镜1和消像差透镜2进行轴向扫描，或者使衍射透镜1和消像差透镜2固定不动、沿衍射透镜1的轴向方向移动探测器3进行轴向扫描；如果要获取有限距离处目标的光谱图像，可使衍射透镜1和消像差透镜2固定不动、沿衍射透镜1的轴向方向移动探测器3进行轴向扫描。结合式①，沿衍射透镜1的轴向方向移动衍射透镜1和消像差透镜2进行轴向扫描，u均为∞，f₂是不变的，横向放大率恒定；沿衍射透镜1的轴向方向移动探测器3进行轴向扫描的情况下，u、f₂是不变的，横向放大率也是恒定的。

可以根据光学原理进行以下计算，以设计横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构。

衍射透镜1的焦距与波长成反比：

$f_1\left(\mathrm{\λ}\right)=\frac{f_0{\mathrm{\λ}}_0}{\mathrm{\λ}}$ -----④

式④中：f₀是设计波长λ₀针对衍射透镜1的焦距。将式④代入式③，得到：

$v=\frac{f_{2}u}{u-f_2}-\frac{f_2^2\mathrm{\λ}}{f_0{\mathrm{\λ}}_0}$ -----⑤

因此，目标的像相对于消像差透镜2第二主面的距离v依赖于波长λ，相反，当已知u和v时，可求出波长λ：

$\mathrm{\λ}=(\frac{f_{2}u}{u-f_2}-v)\·\frac{f_0{\mathrm{\λ}}_0}{f_2^2}$ -----⑥

当目标是在无限远时，即u＝∞代入式⑥，得到：

$v=f_2-\frac{f_2^2\mathrm{\λ}}{f_0{\mathrm{\λ}}_0}$ -----⑦

$\mathrm{\λ}=(f_2-v)\·\frac{f_0{\mathrm{\λ}}_0}{f_2^2}$ -----⑧

设计计算示例：

有关光学参数为，采用波段为0.4μm～1μm的可见近红外光，设计波长λ₀＝0.6328μm，衍射透镜1的口径D为65mm，F数为5，光谱分辨率5nm左右，瞬时视场(IFOV)0.04mrad，总视场(TFOV)1.66°，光谱分辨率Δλ＝5nm，沿轴步进扫描间隔：Δv＝0.2mm。

经过计算，f₂＝D×F数＝65×5＝325mm。

将式⑥的等号两边对λ求导，则

$f_0=\frac{f_2^2}{\mathrm{\Δv}}\·\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_0}$ -----⑨

将f₂、λ₀、Δv和Δλ代入式⑨，可得

$f_0=\frac{f_2^2}{\mathrm{\Δv}}\·\frac{\mathrm{\Δ\λ}}{{\mathrm{\λ}}_0}=\frac{{325}^2}{0.2}\·\frac{5}{632.8}=4173\mathrm{mm}$

由式⑦经过计算得到，λ₁＝0.4μm时，v₁＝309mm；λ₂＝1μm时，v₂＝285mm。在整个光谱范围，沿轴色散距离大约为24mm。

衍射透镜最小周期L＝2λ₀FN_D＝2λ₀f₀/D＝2×0.6328×4173÷65＝81μm，因此可利用二元光学技术将衍射透镜加工成8阶或16阶相位透镜。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (3)

1、一种横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构，包括衍射透镜；其特征在于：还包括位于所述衍射透镜一侧的消像差透镜；所述衍射透镜位于所述消像差透镜的焦平面上；所述消像差透镜位于所述衍射透镜的光轴上，在所述消像差透镜的与所述衍射透镜相对的一侧，设有探测器，所述衍射透镜和消像差透镜二者相对位置固定，所述探测器能够与所述衍射透镜、消像差透镜沿所述衍射透镜的轴向方向发生相对运动，即使所述衍射透镜和消像差透镜二者固定、所述探测器沿所述衍射透镜的轴向方向运动，或者，使所述探测器固定、所述衍射透镜和消像差透镜沿所述衍射透镜的轴向方向运动。

2、根据权利要求1所述的成像结构，其特征在于：所述衍射透镜为谐衍射透镜，所述衍射透镜的衍射面制作在平面、球面或非球面基底上；消像差透镜采用透射或反射式消色差光学系统。

3、权利要求1所述横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构的使用方法，其特征在于：获取无穷远处目标的光谱图像时，使所述探测器固定不动、沿所述衍射透镜的轴向方向移动所述衍射透镜和消像差透镜进行轴向扫描，或者使所述衍射透镜和消像差透镜固定不动、沿所述衍射透镜的轴向方向移动所述探测器进行轴向扫描；获取有限距离处目标的光谱图像时，使所述衍射透镜和消像差透镜固定不动、沿所述衍射透镜的轴向方向移动所述探测器进行轴向扫描。

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