CN113899454A - 一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪及其成像方法 - Google Patents

一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪及其成像方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪及其成像方法。光谱仪的光学系统的光路浸没于高折射率介质中，按光线入射方向，光学元件依次包括入射狭缝、球面反射镜、消像差凸面全息光栅和成像传感器；长入射狭缝获取的光线经过高折射率介质后，经球面反射镜中的一部分反射面反射，光束会聚入射到消像差凸面全息光栅上，光栅全息像差对系统的几何像差进行补偿；经光栅分光后的发散光束再次经球面反射镜的另一部分反射面反射后，会聚于成像传感器上成像。本发明利用全息像差补偿系统固有的几何像差特别是像散，采取浸没式光路，在紧凑体积的限制下实现长入射狭缝，满足宽视场、高光谱分辨的应用需求。

Description

一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪及其成像方法
技术领域
本发明属于光谱成像技术领域，特别涉及一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪及其成像方法。
背景技术
高光谱成像技术能够获取目标场景的图像信息和高分辨率的光谱信息，通过获取的光谱数据可以进行物质识别和成分分析，在林业资源调查、火灾预警、水资源污染、矿物勘探等领域有着广阔的应用需求。凸面全息光栅成像光谱系统基于 Offner 同心结构，具有良好的对称性，其光学性能好、结构简单紧凑，满足轻小型化的应用需求。
成像光谱仪的核心参数之一是入射狭缝长度，狭缝越长，系统的视场越大。随着各应用领域对宽地面覆盖的需求日益增长，要求成像光谱仪分光系统往长狭缝的方向发展。然而，由于凸面全息光栅的衍射分光破坏了Offner结构的完美对称性，在长入射狭缝时像散是最主要的几何像差。为了实现长入射狭缝平衡因系统的不对称性而引入的像散，主要采用的技术手段为将主镜一分为二而优化其曲率半径、增加两反射镜的离轴量、增加凸面光栅的倾斜度，以此来消除像散，然而这种方法使得光学系统变得复杂，装调也较为困难。此外，在Offner结构中引入弯月透镜或自由曲面也可以对系统的成像情况有较大改善，但是增加了光学系统的研制难度与成本，使得光学元件的加工与光学系统的装调和光谱定标更加困难，同时会给系统增加额外的负荷。
现有技术中，文献《变间距凸面光栅成像光谱系统的消像散设计》（光学精密工程，2020, Vol．28 ，No．10, 赵美红）报道了一种基于变间距凸面光栅的消像差凸面光栅成像光谱系统，其F数为2.7，狭缝长度为10mm，光谱分辨率为3.3nm，系统长度为100mm，体积较大，且消像差凸面光栅的记录光路较复杂。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供一种基于消像差全息光栅的轻小型、结构简单紧凑，长入射狭缝、高像质成像的浸没式成像光谱仪及其成像方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是提供一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪，它的光学系统按光线入射方向，依次包括入射狭缝、高折射率介质、球面反射镜、消像差凸面全息光栅和成像传感器；所述光学系统的光路浸没于高折射率介质中，高折射率介质的折射率n为1.2≤n≤1.7；入射狭缝和成像传感器位于球面反射镜的内表面同一侧；入射狭缝的长度方向与消像差凸面全息光栅的刻线方向平行且垂直于光轴；球面反射镜的内表面为弯向光线入射方向的球面，球面反射镜与消像差凸面全息光栅共轴，球面反射镜的曲率半径与消像差凸面全息光栅的曲率半径之比K为1.8≤K≤2.2；所述消像差凸面全息光栅的光栅槽型为变间距的曲线型，有效光栅常数d为：
Figure 887947DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，λ 0 为记录波长，δ和γ分别为光栅记录点与光轴的夹角，-45°≤δ≤45°，-45°≤γ≤45°，且δ≠γ。
本发明所述的一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪，其光学系统的F数的取值范围为1.5≤F≤5。
本发明所述的一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪，其入射狭缝的长度S与系统总长L的比值为0.15≤S/L≤0.4。
本发明技术方案还包括一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪的成像方法，包括如下步骤：
（1）将光学系统浸没于折射率n为1.2≤n≤1.7的高折射率介质中，所述的光学系统按光线入射方向，依次包括入射狭缝、球面反射镜、消像差凸面全息光栅和成像传感器；
（2）长入射狭缝获取的光线经过高折射率介质后，经球面反射镜中的一部分反射面反射，光束会聚入射到消像差凸面全息光栅上，光栅全息像差对系统的几何像差进行补偿；
（3）经光栅分光后的发散光束再次经球面反射镜的另一部分反射面反射后，会聚于成像传感器上成像。
它的光学系统按光线入射方向，依次包括入射狭缝、高折射率介质、球面反射镜、消像差凸面全息光栅和成像传感器；所述光学系统的光路浸没于高折射率介质中，高折射率介质的折射率n为1.2≤n≤1.7；所述球面反射镜与消像差凸面全息光栅共轴，球面反射镜的内表面为弯向光线入射方向的球面，入射狭缝和成像传感器位于球面反射镜的内表面同一侧；入射狭缝的长度方向与消像差凸面全息光栅的刻线方向平行且垂直于光轴。
本发明提供的一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪，其光学系统的F数的取值范围为1.5≤F≤5；所述入射狭缝的长度S与系统总长L的比值为0.15≤S/L≤0.4。
本发明提供的一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪，其球面反射镜的曲率半径与消像差凸面全息光栅的曲率半径之比K为1.8≤K≤2.2；消像差凸面全息光栅的光栅槽型为变间距的曲线型。
本发明利用全息像差补偿系统固有的几何像差特别是像散，并采取浸没式光路，从而在紧凑体积的限制下实现长入射狭缝，满足宽视场、高光谱分辨的应用需求。
本发明的原理是：消像差凸面全息光栅不仅具有色散作用，还可以利用自身的全息像差补偿由于使用结构引入的几何像差。在传统的Offner型光谱成像系统中，由于光栅的衍射分光破坏了Offner结构的完美对称性，存在较大的像散，很难实现长入射狭缝。本发明依据光程函数理论，以像差系数建立的目标函数优化设计得到的。通过调整记录点的位置可以得到符合成像光谱仪参数与性能要求的消像差全息光栅，其光栅槽型为变间距的曲线型，其全息像差可以补偿系统的几何像差尤其是像散，得到宽视场、高像质、高光谱分辨率的像。
本发明将消像差全息凸面光栅应用于Offner 成像光谱系统，利用消像差全息凸面光栅的全息像差补偿系统的几何像差，记录光路简单，同时采用了浸没式光路，进一步减小系统体积，以同时实现成像光谱系统的轻小型化、结构简单紧凑与高像质成像。
本发明使用球面波对光栅进行干涉曝光制作消像差全息凸面光栅，使得光栅基底表面不同的点以不同的干涉角度曝光，形成曲线槽变栅距光栅，通过光程函数理论优化像差系数，以各个像差系数为目标函数优化求解极小值，进而选择合理的记录参数，利用全息像差补偿offner结构中固有的几何像差特别是像散。
整个系统浸没于高折射率介质中，长入射狭缝获取的光线经过高折射率浸没介质后，由球面反射镜反射，光束会聚入射到消像差凸面全息光栅上，利用其全息像差补偿系统固有的几何像差，然后经光栅分光后的发散光束再次经球面反射镜反射后，会聚于成像传感器上，得到低像散宽视场高光谱分辨率的像。本发明利用全息像差校正像散，并采取浸没式光路，从而实现在紧凑体积实现长入射狭缝，满足宽视场、高光谱分辨的应用需求。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.与现有的多数凸面光栅成像光谱仪相比，在保留原有 Offner 光学结构简单紧凑、易于装调和实现轻小型化等优势的同时，可以有效提高光谱仪的成像性能。
2.凸面全息光栅是 Offner 成像光谱仪分光系统的核心部分，其相对于机械刻画光栅具有无鬼线、杂散光很小的优点。
3.在设计凸面全息光栅时，利用光程函数理论建立以各个像差系数为目标函数的优化方法，分析并计算出两束记录球面波波源的位置，可以设计出具有像差校正的能力的凸面全息光栅。本发明利用通过凸面光栅的全息像差来补偿系统的离轴像差，从而减小离轴量对像质的影响，简单有效、不会增加系统的额外负荷与装调难度，可以更好地实现光学系统的高成像性能与系统的轻小型化。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种成像光谱仪的光学系统结构示意图;
图2是本发明实施例提供的成像光谱仪的消像差全息光栅的记录光路；
图3是本发明实施例提供的成像光谱仪的全视场全波段传递函数曲线MTF曲线图；
图4是本发明实施例提供的全视场全工作波段的RMS光斑半径曲线图。
图中，1.入射狭缝；2.高折射率介质；3.球面反射镜；4.消像差凸面全息光栅；5.成像传感器。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。
实施例1
参见附图1，它是本实施例提供的一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪的光学系统结构示意图。按光线入射方向，其光学系统的光学元件依次为入射狭缝1，高折射率介质2，球面反射镜3，消像差凸面全息光栅4和成像传感器5；光学系统的光路浸没于高折射率介质中，高折射率介质的折射率n为1.2≤n≤1.7；球面反射镜与消像差凸面全息光栅共轴，球面反射镜的内表面为弯向光线入射方向的球面，入射狭缝和成像传感器位于球面反射镜的内表面同一侧；入射狭缝的长度方向与消像差凸面全息光栅的刻线方向相同且垂直于光轴。
本实施例中，光学系统的F数的取值范围为1.5≤F≤5.；光学系统的总长L为30mm≤L≤50mm；入射狭缝的长度S与系统总长L的比值为0.15≤S/L≤0.4；球面反射镜与消像差凸面全息光栅的曲率半径之比K为1.8≤K≤2.2。
本实施例提供的成像光谱仪具体参数满足表1的条件。
表1
Figure 179251DEST_PATH_IMAGE003
。
本实施例中各光学元件（面）满足表2的条件。
表2：
Figure 180705DEST_PATH_IMAGE004
。
本实施例提供的成像光谱仪，其成像方法包括如下步骤：
1.按光线入射方向，将光学元件依次为入射狭缝1，球面反射镜3，消像差凸面全息光栅4和成像传感器5浸没于高折射率介质2中，形成光学系统；
2.长入射狭缝1获取的光线经过高折射率介质后，经球面反射镜3中的部分反射面反射，光束会聚入射到消像差凸面全息光栅4上，利用光栅全息像差补偿系统的几何像差；
3.经光栅分光后的发散光束再次经球面反射镜的另一部分反射面反射，会聚于成像传感器上，得到宽视场、高像质、高光谱分辨率的像。
本发明利用全息像差补偿系统固有的几何像差特别是像散，并采取浸没式光路，从而在紧凑体积的限制下实现长入射狭缝，满足宽视场、高光谱分辨的应用需求。
参见附图2，它是本实施例提供的成像光谱仪的消像差全息光栅的记录光路图，图中，光栅与光轴的交点为O，R0为光栅的曲率半径，记录点C、D与光轴的夹角分别为δ和γ，记录角度δ为正，记录角度γ为负。采用无透镜傅里叶变换全息法，用两发散相干光束记录凸面光栅，记录点光源的位置位于光栅基片球心异侧，且关于光栅基片顶点法线不对称。
消像差凸面全息光栅的有效光栅常数为：
Figure 848446DEST_PATH_IMAGE005
其中，λ 0为记录波长，本实施例采用413nm波长的光源；记录点与光轴的夹角δ=3.12°，γ=-9.34°。
系统的光程函数的表达式 F表示为：
Figure 251746DEST_PATH_IMAGE006
对 y、z 做幂级数展开：
Figure 979530DEST_PATH_IMAGE007
像差系数有明确的物理含义，F02代表像散，F30代表子午彗差，F12代表弧矢彗差，阶次越高的像差项对成像质量的影响越小。
其中：
Figure 202701DEST_PATH_IMAGE008
Figure 674134DEST_PATH_IMAGE009
其中，λ 是成像光谱仪使用波长，m是衍射级次，rC和rD为记录臂长，R0为offner结构中光栅的曲率半径。
以各个像差系数为目标函数，优化求解极小值：
Figure 931940DEST_PATH_IMAGE010
其中，m 是优化的像差项的个数，n是采样的波长个数，
Figure 96205DEST_PATH_IMAGE011
对应不同波长的优化权重，
Figure 806672DEST_PATH_IMAGE012
对应像差系数的优化权重。
参见附图3，它是本实施例提供的成像光谱仪的全波段传递函数MTF曲线图；图中，（a）图，（b）图和（c）图分别是本实施例提供的成像光谱仪在波长分别为0.4μm、0.6μm、0.8μm对应像面上的所有视场传递函数MTF曲线。由图3可知，在120lp/mm下0.4μm到0.8μm工作波段全视场的光学传递函数均大于0.5，接近衍射极限，曲线平滑紧凑，说明此系统成像清晰、均匀，系统在全波段以及全视场具有很好的成像质量。
参见附图4，它是本实施例提供的成像光谱仪在全视场全工作波段中的RMS光斑半径曲线图。曲线（a）是全视场全工作波段的RMS半径，曲线（b）是衍射极限下全工作波段的RMS半径。由图4可知，在全视场全工作波段中，系统的RMS均方根光斑半径小于1.5μm，且小于衍射极限RMS半径，能量集中，满足使用要求。
结果证明，本发明提供的基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪在保证结构紧凑的前提下，其工作F数可达3，狭缝长度可达8mm，在采样频为120lp/mm，全工作波段、全视场的光学传递函数均大于0.5，像散、光谱弯曲、色畸变极低，满足光谱成像系统宽视场、小型化和高分辨率要求。

Claims (4)

1.一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪，其特征在于：它的光学系统按光线入射方向，依次包括入射狭缝（1）、高折射率介质（2）、球面反射镜（3）、消像差凸面全息光栅（4）和成像传感器（5）；所述光学系统的光路浸没于高折射率介质中，高折射率介质的折射率n为1.2≤n≤1.7；入射狭缝（1）和成像传感器（5）位于球面反射镜（3）的内表面同一侧；入射狭缝（1）的长度方向与消像差凸面全息光栅（4）的刻线方向平行且垂直于光轴；球面反射镜的内表面为弯向光线入射方向的球面，球面反射镜（3）与消像差凸面全息光栅（4）共轴，球面反射镜的曲率半径与消像差凸面全息光栅的曲率半径之比K为1.8≤K≤2.2；所述消像差凸面全息光栅的光栅槽型为变间距的曲线型，有效光栅常数d为：
Figure 295193DEST_PATH_IMAGE002
；
其中，λ 0 为记录波长，δ和γ分别为光栅记录点与光轴的夹角，-45°≤δ≤45°，-45°≤γ≤45°，且δ≠γ。
2.根据权利要求1所述的一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪，其特征在于：光学系统的F数的取值范围为1.5≤F≤5。
3.根据权利要求1所述的一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪，其特征在于：所述入射狭缝的长度S与系统总长L的比值为0.15≤S/L≤0.4。
4.一种基于消像差全息光栅的浸没式成像光谱仪的成像方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）将光学系统浸没于折射率n为1.2≤n≤1.7的高折射率介质（2）中，所述的光学系统按光线入射方向，依次包括入射狭缝（1）、球面反射镜（3）、消像差凸面全息光栅（4）和成像传感器（5）；
（2）长入射狭缝（1）获取的光线经过高折射率介质后，经球面反射镜（3）中的一部分反射面反射，光束会聚入射到消像差凸面全息光栅（4）上，光栅全息像差对系统的几何像差进行补偿；
（3）经光栅分光后的发散光束再次经球面反射镜的另一部分反射面反射后，会聚于成像传感器（5）上成像。
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