CN104034419B - 可校正谱线弯曲的成像光谱仪系统及其校正方法 - Google Patents

可校正谱线弯曲的成像光谱仪系统及其校正方法 Download PDF

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Abstract

可校正谱线弯曲的光谱仪系统及其校正方法，属于光谱测量和遥感技术领域，为了解决现有技术的问题，可校正谱线弯曲的棱镜‑光栅型成像光谱仪系统，由前置物镜、狭缝、准直物镜、分光元件、成像物镜、滤波片以及CCD组成；其中分光元件由棱镜和透射光栅组成，透射光栅和棱镜组合是利用透射光栅与棱镜产生相反的谱线弯曲进行补偿，对中心波长校正谱线弯曲；同时，透射光栅的入、出射角满足Bragg条件；分光器件的入射光轴和出射光轴A‑A’不在同一条直线上，其偏转角和偏心量由中心波长的偏转角决定；成像光谱仪系统谱线弯曲校正的方法，首先分光元件的设计；然后利用准直物镜和成像物镜产生的畸变以及像面倾斜进行补偿校正剩余谱线弯曲。

Description

可校正谱线弯曲的成像光谱仪系统及其校正方法
技术领域
本发明是一种可校正谱线弯曲的光谱仪系统及其校正方法，用于遥感或质检分析时实现光谱成像，属于光谱测量和遥感技术领域。
背景技术
色散型成像光谱仪采用光栅和棱镜作为分光元件，成像时谱线弯曲较为严重。芬兰SpectralImaging公司的Aikio,M在1993年公开了一种对称型PGP分光元件的发明专利(公开号US-A-4747655，EPO635138等)，专利中利用光栅-棱镜-光栅组合实现直线型结构，即准直系统和成像系统光轴A-A’在同一直线上(图4所示)，减小了机械加工难度。但由于光栅和棱镜在全工作波段产生的谱线弯曲不一致，该结构存在严重的谱线弯曲问题。2002年，丹麦人Rasmus Nyholm在其博士论文(ISBN:87-550-2967-1)中形象地指出了谱线弯曲将直接影响图形边缘光谱探测的准确性，并提出了采用CCD阵列算法校正的方法减小谱线弯曲的影响。但采用算法校正方法必然存在计算误差，并可能扩大标定误差。为提高成像光谱仪的检测精度和空间、光谱分辨率，应采用光学的方法从根源上校正谱线弯曲。
发明内容
本发明目的在于校正色散型成像光谱仪谱线弯曲，提出一种可校正谱线弯曲的成像光谱仪系统及其校正方法。
本发明的技术方案为：可校正谱线弯曲的成像光谱仪系统，由狭缝、准直物镜、分光元件、成像物镜、滤波片以及CCD组成；从狭缝出射的光经过准直物镜后形成平行光，平行光经过分光元件分光，分光后的各光束经过成像物镜成像在CCD上；其中分光元件由棱镜和透射光栅组成。
成像光谱仪系统谱线弯曲校正的方法，包括如下步骤：
步骤一，根据谱带范围及成像光谱仪的分辨率要求选择合适的相位体全息光栅；为使光栅的衍射效率达到最大，光栅的入、出射角满足Bragg条件，从而确定光栅在整个分光元件中的入射角；利用光栅和棱镜在色散时谱线弯曲方向相反的特性，使棱镜和光栅组合元件补偿校正中心波长的谱线弯曲，计算出棱镜的顶角及各面相对于光轴的倾角；从而完成对组合型分光元件的设计；
步骤二，通过分光元件的设计校正中心波长谱线弯曲后，其它波长的剩余谱线弯曲近似关于中心波长的谱线对称分布；通过成像光谱仪系统的设计和调节，利用准直物镜和成像物镜产生的畸变以及像面倾斜进行补偿校正剩余谱线弯曲；从而实现全工作谱段谱线弯曲的校正。
本发明的有益效果是：本发明采用棱镜和光栅组合作为分光器件，其利用光栅和棱镜在色散时谱线向相反方向弯曲(光栅谱线向长波方向弯曲，棱镜谱线向短波方向弯曲)的特性，校正中心波长的谱线弯曲，使得其它波长的谱线弯曲关于中心波长对称分布。再利用准直物镜和成像物镜产生的畸变以及像面倾斜进行补偿校正其它波长的谱线弯曲；达到了以下效果，
1、谱线弯曲校正到0.03％以下，提高了光谱测量的准确性，同时有利于提高成像光谱仪的光谱分辨率和空间分辨率；
2、分光元件采用棱镜-光栅组合，光栅是主要色散元件，色散率高且线性度好；棱镜的作用是改变光线角度和补偿谱线弯曲；采用透射相位体光栅，衍射效率高，中心波长衍射效率在80％以上，边缘波长衍射效率可达50％；
3、透射式系统相对孔径大，准直物镜和成像物镜的F#数可做到2.0以下，从而提高信噪比；
4、该系统可小型化，方便携带。
附图说明
图1(a)为可校正谱线弯曲的光谱仪系统结构示意图；(b)为各波长谱线弯曲示意图。
图2(a)为P-G型分光元件光学结构示意图；图2(b)是对称P-G-P型分光元件光学结构示意图；图2(c)是特殊的P-G-P型分光元件光学结构图。
图3为实施例P-G型成像光谱仪系统示意图。
图4为直线型P-G-P分光元件光学结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1(a)所示，本发明可校正谱线弯曲的棱镜-光栅型成像光谱仪系统由5个部分组成：狭缝1、准直物镜2、分光元件3、成像物镜4和探测器5，从狭缝1出射的光经过准直物镜2后形成平行光，平行光经过分光元件3分光，分光后的各光束经过成像物镜4成像在CCD5上。图中准直物镜2和成像物镜4用理想透镜代替。分光元件3采用P-G型，分光元件3由棱镜和透射光栅组成。透射光栅和棱镜组合是利用透射光栅与棱镜产生相反的谱线弯曲进行补偿，对中心波长校正谱线弯曲；同时，透射光栅的入、出射角满足Bragg条件；分光元件的入射光轴和出射光轴A-A’不在同一条直线上，其偏转角和偏心量由中心波长的偏转角决定。由于受到透射光栅材料的限制，该类分光元件3主要用于320nm-2700nm谱段。
利用中心波长光栅的Bragg条件可计算出光栅的入射角的正弦值：
其中k为光栅衍射极次，λ为中心波长，d为光栅常数，为光栅衍射角。
棱镜和光栅产生的谱线弯曲矢高可近似表示为：
其中f'是成像物镜焦距，z是狭缝长度；n为棱镜中心波长折射率，α为棱镜顶角，i1θ′和i2θ′分别为棱镜第一面和第二面的折射角。从公式中可看出yprism为负值，ygrating为正值。令yprism+ygrating＝0，校正中心波长λ3的谱线弯曲，可得出棱镜折射面的倾角，从而确定元件的结构。此时，其它波长的谱线弯曲如图1(b)所示，近似关于中心波长对称，可通过准直物镜2和成像物镜4产生的畸变和探测器5的倾斜进行补偿校正。
图2(a)中给出了P-G型分光元件光学结构图，在系统中分光元件3与准直物镜2共轴。平行光束入射到棱镜3a1发生偏转，并以满足光栅Bragg条件的角度入射进入光栅3a2，最后光栅衍射光束进入成像物镜4。分光元件3的光栅3a2与棱镜3a1的第二面平行放置，棱镜的倾角βa1和βa2由中心波长Bragg条件和中心波长校正谱线弯曲的公式共同决定。成像物镜的光轴发生偏转，光轴A与光轴A’的偏转角由中心波长λ3的偏转角决定。
分光元件3也可采用棱镜-光栅-棱镜(P-G-P)型，即将棱镜分为两块，分别放在光栅的两侧。图2(b)是对称棱镜-光栅-棱镜(P-G-P)型，由棱镜3b1、光栅3b2和棱镜3b3组成，系统两侧光轴关于光栅面对称。倾角βb1和βb2数值相等，大小由中心波长Bragg条件和中心波长校正谱线弯曲公式共同决定。光轴A与光轴A’的偏转角由中心波长λ3的偏转角决定。另外，也可构成非对称棱镜-光栅-棱镜(P-G-P)型，如图2(c)所示，原理与对称(P-G-P)型相似。分光元件与准直物镜共轴，光栅垂直于光轴放置，成像物镜光轴由中心波长偏转角决定。第一块棱镜倾角β1使折射光中心波长满足光栅Bragg条件，第二块棱镜倾角β2由校正中心波长谱线弯曲公式决定。
实施例：图3给出了棱镜-光栅P-G型成像光谱仪系统图。7为前置物镜，其作用是将物成像在狭缝1上。准直物镜2-1和成像物镜4-1采用相同的五片式镜组结构且对称放置。光栅采用相位体全息光栅3-1，其线对数为450lp/mm，1级衍射效率在50％以上。光阑在光栅面附近，使整个系统构成物方、像方远心光路。6为滤波片，其作用是过滤掉光栅的2级衍射，消二级光谱。优化准直物镜2和成像物镜4的畸变和探测器5的倾斜，校正全工作谱段谱线弯曲，其校正结果为不同波长和视场像面的点斑中心坐标，如表1所示。
表1
优化后示例图中成像光谱仪系统参数如下：
工作波长范围，λ:400～800nm；中心波长λ3＝600nm；系统F#＝2.4；狭缝宽30μm；狭缝长9mm；光谱分辨率：1.82nm；谱线Keystone弯曲小于2μm，Smile弯曲小于1μm；RMS半径小于6μm。
通过准直物镜2和成像物镜4的失对称变化，还可进一步提高系统的性能，本发明不再例举。

Claims (4)

1.可校正谱线弯曲的成像光谱仪系统，其特征是，由狭缝(1)、准直物镜(2)、分光元件(3)、成像物镜(4)以及CCD(5)组成，从狭缝(1)出射的光经过准直物镜(2)后形成平行光，平行光经过分光元件(3)分光，分光后的各光束经过成像物镜(4)成像在CCD(5)上；其中分光元件(3)由棱镜和透射光栅组成；透射光栅中心波长的入、出射角满足Bragg条件；分光元件(3)的入射光轴和出射光轴A-A’不在同一条直线上，其偏转角由中心波长的偏转角决定；
所述分光元件(3)：利用中心波长光栅的Bragg条件可计算出光栅的入射角的正弦值：
其中k为光栅衍射极次，λ为中心波长，d为光栅常数，为光栅衍射角；
棱镜和光栅产生的谱线弯曲矢高可近似表示为：
其中f'是成像物镜焦距，z是狭缝长度；n为棱镜中心波长折射率，α为棱镜顶角，i′1θ和i′2θ分别为棱镜第一面和第二面的折射角；从公式中可看出yprism为负值，ygrating为正值；令yprism+ygrating＝0，校正中心波长λ3的谱线弯曲，可得出棱镜折射面的倾角，从而确定元件的结构。
2.根据权利要求1所述的可校正谱线弯曲的成像光谱仪系统，其特征在于，所述透射光栅为透射式相位体全息光栅。
3.根据权利要求1所述的可校正谱线弯曲的成像光谱仪系统，其特征在于，分光元件(3)也可由棱镜-光栅-棱镜的形式组成，实现中心波长谱线弯曲的校正。
4.基于权利要求1所述的可校正谱线弯曲的成像光谱仪系统实现成像光谱仪系统谱线弯曲校正的方法，其特征是，包括以下步骤：
步骤一，根据谱带范围及成像光谱仪的分辨率要求选择合适的相位体全息光栅；为使光栅的衍射效率达到最大，光栅的入、出射角满足Bragg条件，从而确定光栅在整个分光元件中的入射角；利用光栅和棱镜在色散时谱线弯曲方向相反的特性，使棱镜和光栅组合元件补偿校正中心波长的谱线弯曲，计算出棱镜的顶角及各面相对于光轴的倾角；从而完成对组合型分光元件(3)的设计；
具体设计为：利用中心波长光栅的Bragg条件可计算出光栅的入射角的正弦值：
其中k为光栅衍射极次，λ为中心波长，d为光栅常数，为光栅衍射角；
棱镜和光栅产生的谱线弯曲矢高可近似表示为：
其中f'是成像物镜焦距，z是狭缝长度；n为棱镜中心波长折射率，α为棱镜顶角，i′1θ和i′2θ分别为棱镜第一面和第二面的折射角；从公式中可看出yprism为负值，ygrating为正值；令yprism+ygrating＝0，校正中心波长λ3的谱线弯曲，可得出棱镜折射面的倾角，从而确定元件的结构；
步骤二，通过分光元件(3)的设计校正中心波长谱线弯曲后，其它波长的剩余谱线弯曲近似关于中心波长的谱线对称分布；通过成像光谱仪系统的设计和调节，利用准直物镜(2)和成像物镜(4)产生的畸变以及像面倾斜进行补偿校正剩余谱线弯曲；从而实现全工作谱段谱线弯曲的校正。
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