EA024777B1

EA024777B1 - Imaging hyperspectrometer

Info

Publication number: EA024777B1
Application number: EA201301231A
Authority: EA
Inventors: Роман Васильевич Скиданов; Николай Львович КАЗАНСКИЙ; Сергей Иванович Харитонов
Priority date: 2013-12-04
Filing date: 2013-12-04
Publication date: 2016-10-31
Also published as: EA201301231A1

Abstract

The invention relates to the field of optical spectroscopy. An imaging hyperspectrometer consists of a narrow slit located in the front focal plane of the objective lens, a diffraction grating, and a second objective lens that builds a spectrum image on a CCD matrix. The slit is implemented in the form of a half-ring arranged along the radial polar coordinate of the entrance pupil, and the diffraction grating ruling consists of grooves curved as rings. This imaging hyperspectrometer allows obtaining of high-definition hyperspectral images due to compensation of aberrations at a cost lower than that of the prior art device.

Description

(57) Изобретение относится к области оптической спектроскопии. Изображающий гиперспектрометр состоит из узкой щели, расположенной в передней фокальной плоскости объектива, дифракционной решетки, второго объектива, строящего изображение спектра на ПЗС матрице. Щель выполнена в виде полукольца, расположенного вдоль радиальной полярной координаты входного зрачка, дифракционная решетка выполнена со штрихами, изогнутыми в кольца. Данный изображающий гиперспектрометр позволяет получить гиперспектральные изображения высокого разрешения за счет компенсации аберраций при меньшей, чем у прототипа, стоимости.(57) The invention relates to the field of optical spectroscopy. The imaging hyperspectrometer consists of a narrow slit located in the front focal plane of the lens, a diffraction grating, and a second lens, which constructs an image of the spectrum on a CCD. The slit is made in the form of a half ring located along the radial polar coordinate of the entrance pupil, the diffraction grating is made with strokes curved into rings. This imaging hyperspectrometer allows you to get hyperspectral images of high resolution by compensating for aberrations at a lower cost than the prototype.

Изобретение относится к области оптической спектроскопии. В настоящее время одним из важных и приоритетных направлений развития средств и методов дистанционного зондирования земной поверхности является разработка и применение изображающих спектрометров.The invention relates to the field of optical spectroscopy. Currently, one of the important and priority areas for the development of means and methods of remote sensing of the earth's surface is the development and use of imaging spectrometers.

Особенности этой задачи таковы, что требуется относительно небольшое спектральное разрешение (5-10 нм), что позволяет использовать дисперсионные схемы, но достаточно хорошее пространственное разрешение. Как правило, использование дифракционной решетки в составе спектрометра приводит к возникновению дополнительных аберраций, что при наличии требований по пространственному разрешению недопустимо. Для компенсации этих аберраций используются выпуклые дифракционные решетки в оптической схеме Оффнера (патенты И8 5880834, МПК ООП 3/36, опубл. 9.03.2009 г., И8 6100974, МПК О0П 3/00, опубл. 8.08.2000 г., И8 7944559 В2, МПК О0П 3/28, опубл. 17.05.2011 г.).The features of this task are such that a relatively small spectral resolution (5-10 nm) is required, which allows the use of dispersion schemes, but a fairly good spatial resolution. As a rule, the use of a diffraction grating as part of the spectrometer leads to the appearance of additional aberrations, which is unacceptable in the presence of spatial resolution requirements. To compensate for these aberrations, convex diffraction gratings are used in the Offner optical scheme (patents I8 5880834, IPC OOP 3/36, published March 9, 2009, I8 6100974, IPC OP 3/00, published on 08/08/2000, I8 7944559 B2, IPC O0P 3/28, published on 05.17.2011).

Основной недостаток предложенных решений - необходимость изготовления выпуклой дифракционной решетки, что технологически трудновыполнимо в настоящее время.The main drawback of the proposed solutions is the need to fabricate a convex diffraction grating, which is technologically difficult at present.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство, основанное на схеме Оффнера с выпуклой дифракционной решеткой, которая для компенсации аберраций имеет непараллельные штрихи (патент И8 6266140 В1, О0П 3/28, опубл. 24.07.2001 г.). Данное устройство максимально устраняет оптические аберрации, присущие как классической оптике, так и системам, которые содержат выпуклые дифракционные решетки.The closest technical solution, selected as a prototype, is a device based on the Offner scheme with a convex diffraction grating, which has non-parallel strokes to compensate for aberrations (patent I8 6266140 B1, O0P 3/28, published on July 24, 2001). This device eliminates the optical aberrations inherent in both classical optics and systems that contain convex diffraction gratings.

Главным недостатком этого устройства также является технологическая трудность изготовления выпуклой дифракционной решетки, причем трудность эта усугубляется непараллельностью штрихов дифракционной решетки.The main disadvantage of this device is also the technological difficulty of manufacturing a convex diffraction grating, and this difficulty is exacerbated by the non-parallel strokes of the diffraction grating.

Целью изобретения является минимизация аберраций в оптической системе гиперспетрометра с использованием плоского дифракционного оптического элемента.The aim of the invention is the minimization of aberrations in the optical system of a hyperspetrometer using a planar diffractive optical element.

Указанная цель достигается тем, что изображающий гиперспектрометр состоит из узкой щели, расположенной в передней фокальной плоскости объектива, дифракционной решетки, второго объектива, строящего изображение спектра на ПЗС матрице, согласно изобретению щель выполнена в виде полукольца, расположенного вдоль радиальной полярной координаты входного зрачка, дифракционная решетка выполнена со штрихами, изогнутыми в кольца.This goal is achieved by the fact that the imaging hyperspectrometer consists of a narrow slit located in the front focal plane of the lens, a diffraction grating, a second lens constructing a spectrum image on a CCD, according to the invention, the slit is made in the form of a half ring located along the radial polar coordinate of the entrance pupil, the diffraction the grill is made with strokes curved into rings.

Заявляемые технические решения отличаются от прототипа тем, что вместо прямой входной щели используется щель в виде узкого полукольца (фиг. 1) и вместо выпуклой дифракционной решетки с непараллельными штрихами - дифракционная решетка со штрихами, изогнутыми в кольца.The claimed technical solutions differ from the prototype in that instead of a direct entrance slit, a gap is used in the form of a narrow half-ring (Fig. 1) and instead of a convex diffraction grating with non-parallel strokes, a diffraction grating with strokes bent into rings.

Таким образом, устраняется основной недостаток прототипа -технологическая трудность изготовления выпуклой дифракционной решетки.Thus, the main disadvantage of the prototype is eliminated - the technological difficulty of manufacturing a convex diffraction grating.

Эти отличия позволяют сделать вывод о соответствии заявляемых технических решений критерию новизна. Признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа, не выявлены в других технических решениях при изучении данной и смежной областей техники и, следовательно, обеспечивают заявляемым решениям соответствие критерию существенные отличия.These differences allow us to conclude that the claimed technical solutions meet the criterion of novelty. Signs that distinguish the claimed technical solution from the prototype are not identified in other technical solutions when studying this and related areas of technology and, therefore, provide the claimed solutions with the criterion of significant differences.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг. 1 представлена щель в виде узкого полукольца, на фиг. 2 - оптическая схема устройства, на фиг. 3 - дифракционная решетка со штрихами, изогнутыми в кольца.The device is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a slot in the form of a narrow semicircle, in FIG. 2 is an optical diagram of the device, in FIG. 3 - diffraction grating with strokes curved into rings.

Изображающий гиперспектрометр состоит из узкой кольцевой щели 1, расположенной в передней фокальной плоскости объектива 2, круговой дифракционной решетки 3 и объектива 4, который строит изображение спектра на ПЗС матрице 5.The imaging hyperspectrometer consists of a narrow annular slit 1 located in the front focal plane of the lens 2, a circular diffraction grating 3, and lens 4, which builds an image of the spectrum on a CCD matrix 5.

Входная щель 1, расположенная в передней фокальной плоскости объектива 1, вырезает из поля зрения область, каждая точка которой будет разлагаться в спектр. Объективы 2 и 4 формируют изображение спектра на поверхности ПЗС матрицы (прибор с зарядовой связью). В фокальной плоскости линзы 2 располагается фазовая круговая дифракционная решетка, функция пропускания которой определяется выражениемThe entrance slit 1, located in the front focal plane of the lens 1, cuts out of the field of view the region, each point of which will be decomposed into the spectrum. Lenses 2 and 4 form an image of the spectrum on the surface of the CCD matrix (charge-coupled device). In the focal plane of lens 2 there is a phase circular diffraction grating, the transmission function of which is determined by the expression

где г, φ - полярные координаты, ά - период решетки.where r, φ are polar coordinates, ά is the lattice period.

Внешний вид такой решетки представлен на фиг. 3. Белые области соответствуют выступам, а черные области - впадинам.The appearance of such a grill is shown in FIG. 3. White areas correspond to protrusions, and black areas correspond to depressions.

Такой дифракционный оптический элемент формирует для каждой точки входной щели спектральное разложение, развернутое вдоль полярной координаты г в плоскости ПЗС матрицы.Such a diffractive optical element forms a spectral decomposition for each point of the entrance slit, deployed along the polar coordinate r in the plane of the CCD matrix.

В результате изменения формы входной щели из поля зрения во входном зрачке прибора выделяется область с одинаковым расстоянием до оптической оси. Функция волновой аберрации оптической системы без учета постоянных членов и расфокусировки определяется выражением ^(ρ,φ,Γ^Γ,ρ⁴ + +с2г²р² соз² <р + с3г²р² + с4г³рсоз(р + с5гр³ εο&φ, (2) где ρ, φ - полярные координаты в плоскости входного зрачка,As a result of changing the shape of the entrance slit from the field of view, an area with the same distance to the optical axis is allocated in the entrance pupil of the device. The function of the wave aberration of the optical system excluding permanent members and defocus is given by ^ (ρ, φ, Γ ^ Γ, ρ ⁴ + s2g ² p ² cos ² <p + s3g ² p ² + s4g ³ rsoz (p + s5gr ³ εο & φ , (2) where ρ, φ are the polar coordinates in the plane of the entrance pupil,

- 1 024777 г - радиальная полярная координата в плоскости изображения.- 1,024,777 g is the radial polar coordinate in the image plane.

М_С=с₁р⁴ - сферическая аберрация,M _C = s ₁ p ⁴ - spherical aberration,

М = с₅гр³ С-О8<р - кома, \У = С2Г р СО8 φ + СзГ р - астигматизм и кривизна поля,M = c ₅ gr ³ C-O8 <p - coma, \ Y = C2G p CO8 φ + CzG p - astigmatism and field curvature,

М = ^τ³ρ^8φ - дисторсия.M = ^ τ ³ ρ ^ 8φ - distortion.

В предложенной конструкции р « С-ОП81, г « соп8к Как видно из выражения (2), по крайней мере два из пяти членов аберрационного разложения (сферическая аберрация, кривизна поля) в этом случае будут постоянными величинами, что позволяет довольно просто их компенсировать смещением плоскости изображения. Оставшиеся три вида аберраций зависят только от полярного угла, что означает их постоянство для каждой точки входной щели, т.е. в этом случае аберрации довольно просто устраняются цифровой обработкой. Также в этом случае довольно просто решается задача минимизации аберраций за счет изменения конфигурации объективов 2 и 3.In the proposed construction, p С C-OP81, r соп sop8k As can be seen from expression (2), at least two of the five terms of the aberration expansion (spherical aberration, field curvature) in this case will be constant values, which makes it fairly easy to compensate for them by displacement image plane. The remaining three types of aberrations depend only on the polar angle, which means their constancy for each point of the entrance slit, i.e. in this case, aberrations are quite easily eliminated by digital processing. Also in this case, the problem of minimizing aberrations by changing the configuration of lenses 2 and 3 is quite simple.

Данный изображающий гиперспектрометр позволяет получить гиперспектральные изображения высокого разрешения за счет компенсации аберраций при меньшей, чем у прототипа, стоимости.This imaging hyperspectrometer allows you to get hyperspectral images of high resolution by compensating for aberrations at a lower cost than the prototype.

Claims

CLAIM

Depicting a hyperspectrometer consisting of a narrow slit located in the front focal plane of the lens, a diffraction grating, a second lens building an image of the spectrum on a CCD matrix, characterized in that the slit is made in the form of a semi-ring located along the radial polar coordinate of the entrance pupil, the diffraction grating is made strokes, curved into rings.