CN115452148A

CN115452148A - 一种基于闪耀光栅的分光成像方法及其系统

Info

Publication number: CN115452148A
Application number: CN202211167993.2A
Authority: CN
Inventors: 季轶群; 张幸运; 谭奋利; 冯安伟
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2022-09-23
Filing date: 2022-09-23
Publication date: 2022-12-09

Abstract

本发明涉及一种基于闪耀光栅的分光成像方法及其系统。从入射狭缝入射的远心光线，进入平凸透镜，经平凸透镜和弯月透镜折射，再经过厚折反镜凹表面反射后，以会聚光束的形式入射到凸面闪耀光栅上，经光栅衍射并反射后形成多束单波长的发散光束，再依次通过厚折反镜反射，弯月透镜和平凸透镜折射，成像于像平面，实现光谱成像。本发明采用浸没式littrow‑Offner结构，入射狭缝在子午和弧矢方向上离轴，使入射狭缝和像平面分离，便于工程实施；分光成像系统采用了全浸没式光路，使成像光谱仪结构更加简单紧凑，装调和使用更加方便；光栅选取了凸面闪耀光栅，具有高衍射效率，使本成像系统能在更广泛的应用领域发挥作用。

Description

一种基于闪耀光栅的分光成像方法及其系统

技术领域

本发明涉及一种基于闪耀光栅的分光成像方法及其系统,属于光谱成像技术领域。

背景技术

光谱成像技术将成像技术和光谱技术相结合，能够得到探测物体的二维空间结构和一维光谱信息，获取探测目标的光谱图像。通过物体的光谱信息可以得到传统观测方式无法获取的数据，成像光谱仪技术在矿物勘探、军事情报、防控减灾和精确测绘等领域都有重要应用。

Offner型中继成像系统是由两个同心球面反射镜组成的三反射同心系统，其结构简单对称，可获得高分辨率优质像质图像。上世纪70年代，Thevenon首先建议用凸面衍射光栅代替Offner型中继成像系统中的凸面反射镜，得到Offner型分光成像系统。Littrow型分光成像系统为自准直系统，用一个凹面镜同时作为准直和成像物镜，结构简单紧凑，光栅上的入射角等于衍射角，能得到较高的衍射效率，入射狭缝和出射狭缝都位于色散系统的同一侧，且三者的中心都在主截面内。

Littrow-Offner型分光成像系统是一种以凸面衍射光栅为分光元件的同心系统，其既具有Offner型分光成像系统的优点，同时还具有Littrow型分光成像系统的优势。与经典Offner型分光成像系统分光成像系统相比，Littrow-Offner分光成像系统体积更小、重量更轻，更加符合现代成像光谱仪要求分光系统相对孔径大、分辨率高、体积小、重量轻和结构简单紧凑的发展方向和趋势。现有Littrow-Offner型分光成像系统适用于高分辨率、窄工作波段、宽光谱维背景下的光谱仪器，已成功地应用于探测和分析地球静止轨道上的大气成分可见光波段的高分辨率成像遥感光谱仪中。然而，仍然存在着体积不够轻小，加工要求高、难度大、成本高的局限性。如中国发明专利CN103268017B发布了一种用于光谱仪器的Littrow-Offner型分光成像系统，该系统采用同心结构的Littrow-Offner结构，入射狭缝长仅为6mm，不能满足成像光谱仪的大视场成像要求；它的系统总长为195mm，限制了成像光谱仪进一步的应用范围。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种衍射效率高、分辨率高、结构简单紧凑、易于加工装调的基于闪耀光栅的浸没式littrow-Offner成像光谱系统及其成像方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种基于闪耀光栅的分光成像系统，它的光学元件包括入射狭缝，平凸透镜，弯月透镜，厚折反镜，凸面闪耀光栅和像平面，光学系统呈浸没式littrow-Offner结构；入射狭缝在子午和弧矢方向上离轴；

所述平凸透镜的凸表面与弯月透镜的凹表面胶合；弯月透镜的凸表面与厚折反镜的凹表面胶合，厚折反镜的反射面为凸表面；凸面闪耀光栅的工作面设置在弯月透镜的凸表面上，凸面闪耀光栅的表面最高点与弯月透镜的凸面顶点重合；

弯月透镜凹表面的曲率半径

与弯月透镜凸表面的曲率半径

满足条件：0.75≤

≤0.85；弯月透镜凸表面的曲率半径

与厚折反镜凸表面的曲率半径

满足条件：0.45≤

≤0.55；平凸透镜的中心厚度

与厚折反镜的中心厚度

满足条件：0.75≤

≤0.8；

所述的凸面闪耀光栅，其光栅入射角

为

，顶角

为90°，闪耀角

为

，刻线密度为1100 lp/mm；

平凸透镜和厚折反镜的材料相同，折射率

为1.4≤

≤1.5，弯月透镜（3）的材料折射率

为1.6≤

≤1.7。

本发明所述的一种基于闪耀光栅的分光成像系统，其入射狭缝在子午方向、弧矢方向的离轴距离分别对应为x、y,满足条件：15mm≤

≤20mm，25mm≤y≤30mm。

本发明技术方案还包括一种基于闪耀光栅的分光成像方法，包括如下步骤：

步骤1：光线从入射狭缝入射，依次经平凸透镜和弯月透镜折射后形成发散光束，进入厚折反镜；所述的入射狭缝在子午和弧矢方向上均远离光轴、平凸透镜的凸表面与弯月透镜的凹表面胶合、弯月透镜的凸表面与厚折反镜的凹表面胶合；

步骤2：步骤1形成的发散光束在厚折反镜中继续传播，并在厚折反镜凹表面反射，形成会聚光束；

步骤3：凸面闪耀光栅的工作面设置在弯月透镜的凸表面上，凸面闪耀光栅表面的凸面顶点与弯月透镜的凸面顶点重合；步骤2得到的会聚光束入射到凸面闪耀光栅的工作面上，经光栅衍射并反射后形成多束单波长的发散光束；

步骤4：步骤3形成的多束不同波长的发散光束通过厚折反镜在厚折反镜凹表面反射后形成多束不同波长的会聚光束，依次通过弯月透镜和平凸透镜折射，成像于像平面上的不同位置，实现光谱成像。

本发明提供的浸没式littrow-Offner分光成像系统，具有如下特点：采用同心特点，不引入球差；基于罗兰圆原理，通过选择合适曲率半径的凹面反射镜和凸面衍射光栅消除场曲，从而实现平场；由于系统的主要剩余像差为正像散，通过引入带有负像散的弯月透镜来平衡系统的正像散，从而提高像质；整个光学系统由平凸透镜、弯月透镜和厚折反镜胶合而成，为浸没式结构，使系统结构更加稳定且体积进一步减小。

同时，本发明通过凸面闪耀光栅的像差校正能力，进一步增大系统的相对孔径、提高成像质量；凸面衍射光栅的刻线密度影响光谱分辨率，刻线密度越高，色散程度越大，从而光谱分辨率越高；而闪耀光栅可以在光谱范围内获得大于50%的衍射效率，提高系统的能量利用率。因此，本发明引入高刻线密度的凸面闪耀光栅，提高光谱分辨率并同时提高衍射效率。

本发明提供的浸没式littrow-Offner分光成像系统，通过闪耀光栅提高系统的衍射效率，在子午和弧矢方向上均远离光轴，使入射狭缝和像平面分离，便于工程实施；使用浸没式光路，使系统的体积进一步减小，从而在更广泛的应用场景发挥作用。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1.本发明提供的分光成像方法，其成像系统采用浸没式littrow-Offner结构；入射狭缝在子午和弧矢方向上离轴，使入射狭缝和像平面分离，结构紧凑、稳定性强，且易于加工装调、便于工程实施，大大减小生产研制成本，有利于成像光谱仪的小型化和便携化发展。

2.本发明提供的分光成像系统，使用高刻线密度的闪耀光栅，在光谱范围内衍射效率大于50%，提高了系统的能量利用率。

3.分光成像系统由光学元件胶合而成，无机械部件，这种集成化、模块化的组件装调和使用十分方便，且全部镜片国产玻璃材料制成，降低了镜头的加工难度和加工成本，具有实际应用价值。

附图说明

图1、2和3分别是本发明实施例提供的分光成像系统结构光路的主视、俯视和侧视示意图；

图4是本发明实施例提供的分光成像系统的凸面闪耀光栅的结构示意图；

图5是本发明实施例提供的分光成像系统的光线追迹点列图；

图6是本发明实施例提供的分光成像系统在中心波长处的能量集中度曲线；

图7是本发明实施例提供的分光成像系统的传递函数曲线MTF曲线图；

图8是本发明实施例提供的分光成像系统的凸面闪耀光栅全波段衍射效率曲线图。

图中：1.入射狭缝；2.平凸透镜；3.弯月透镜；4厚折反镜；2.1平凸透镜平面；2.2平凸透镜凸表面；3.1弯月透镜凹表面；3.2弯月透镜凸表面；3.3凸面闪耀光栅；4.1厚折反镜凹表面；4.2厚折反镜凸表面；5.像平面；6.光轴。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方案作进一步的阐述。

实施例1:

本实施例的技术方案是一种浸没式littrow-Offner分光成像系统及其成像方法。系统的工作波长为400nm～700nm，光学镜头采用平凸透镜、弯月透镜和厚折反镜胶合而成，F数为F/#=3.3。

参见附图1和2，它们分别为本实施例提供的浸没式littrow-Offner分光成像系统的主视光路图和俯视光路图；图中直角坐标系的y轴正方向为子午方向，x轴负方向为弧矢方向，z轴正方向为光线入射方向。成像光谱仪包括入射狭缝1，平凸透镜2，弯月透镜3，厚折反镜4，凸面闪耀光栅3.3和像平面5； 2.1为平凸透镜平面，2.2为平凸透镜凸表面；3.1为弯月透镜凹表面，3.2为弯月透镜凸表面；4.1为厚折反镜凹表面，4.2为厚折反镜凸表面；平凸透镜凸表面2.2与弯月透镜凹表面3.1胶合；弯月透镜凸表面3.2与厚折反镜凹表面4.1胶合；凸面闪耀光栅3.3直接刻在弯月透镜凸表面3.2上；入射狭缝1的长度方向和凸面闪耀光栅3.3的刻线方向均垂直于纸面；入射狭缝1与像平面5关于光轴6对称。

参见附图3，它是本实施例提供的浸没式littrow-Offner分光成像系统光路侧视示意图，图中直角坐标系的y轴正方向为子午方向，x轴负方向为弧矢方向。由图可以看出，入射狭缝1在子午和弧矢方向上同时离轴，其离轴量保证凸面闪耀光栅不会遮拦入射狭缝光束和出射的光束。入射狭缝1与像平面5位于凸面闪耀光栅3.3两侧。在本实施例中，入射狭缝长度20mm，入射狭缝在子午方向上离轴27mm，弧矢方向上离轴19mm。凸面闪耀光栅3.3的表面最高点与弯月透镜3的凸面顶点重合，弯月透镜3与厚折反镜4胶合。

参见附图4，它是本实施例提供的浸没式littrow-Offner分光成像系统的凸面闪耀光栅结构示意图，光栅入射角

为7°，光栅顶角

为90°，闪耀角

为21°，使用正一级衍射光栅，凸面闪耀光栅的刻线密度为1100lp/mm。

本实施例提供的成像光谱仪其性能参数满足表1的条件。

表1

。

本实施例各光学元件（面）满足表2的条件。

表2:

。

采用本实施例提供的分光成像装置，分光成像方法包括如下步骤：

参见附图5它是光线通过本实施例提供的浸没式littrow-Offner分光成像系统的光线追迹点列图，图中三个不同波长对应的各个视场的点列图均方根半径小于2μm，成像质量好，满足系统使用要求。

参见附图6，它是本实施例提供的浸没式littrow-Offner分光成像系统在中心波长处的能量集中度曲线，横坐标为距离质心宽度，纵坐标为在单个像元尺寸范围内所集中的衍射能量占比，顶部的曲线为衍射极限，其他曲线表示不同视场的能量集中度曲线，可以看出80%的能量都集中在探测器像元范围内。

参见附图7，它是本实施例提供的浸没式littrow-Offner分光成像系统的全波段传递函数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400nm、550nm和700nm对应像面上的所有视场传递函数MTF曲线。由图可知，在83lp/mm下400nm到700nm工作波段全视场的光学传递函数均大于0.6，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8，它是本实施例提供的浸没式littrow-Offner分光成像系统的凸面闪耀光栅全波段衍射效率曲线图，可以看出在光谱范围内，光栅的正一级衍射效率均大于50%，最高可到80%。

结果证明，本发明提供的浸没式littrow-Offner分光成像系统在保证结构紧凑的前提下，其工作F数可达3.3，入射狭缝长度可达20mm，在采样频率为83lp/mm处，全工作波段、全视场的光学传递函数均大于0.6，光谱分辨率优于0.5nm，谱线弯曲和色畸变均小于1μm，满足光谱成像系统大视场、小型化和高分辨率的要求。