專利名稱：橫向放大率恒定的衍射光學成像光譜儀的成像結(jié)構(gòu)及其使用方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及成像光譜技術(shù)，尤其是一種橫向放大率恒定的衍射光學成像 光譜儀的成像結(jié)構(gòu)及其使用方法。
技術(shù)背景成像光譜儀是近年來隨著對地觀測的需要和光電技術(shù)的進步而發(fā)展起 來的新一代遙感儀器，它將傳統(tǒng)二維成像遙感技術(shù)與光譜儀技術(shù)有機結(jié)合在 一起，能在獲取所觀測對象二維空間信息的同時，以高光譜分辨率獲取目標 的光譜圖像。由于所獲得的光譜圖像數(shù)據(jù)中含有與被觀測目標組分有關(guān)的光 譜信息，可以揭示觀測對象的光譜特性、存在狀況以及物質(zhì)成分，從而使直 接識別成像目標成為可能。因此，成像光譜儀在大氣、海洋和陸地等觀測中 得到了廣泛的應用。新興的衍射光學超光譜成像技術(shù)就是在這種背景下發(fā)展起來的采用步 進凝視方式工作的超光譜成像技術(shù)，其具有光學結(jié)構(gòu)簡單、重量輕、光通量 大、信噪比高、凝視成像等突出的優(yōu)點，是更具有發(fā)展?jié)摿Φ男屡d超光譜成 像技術(shù)。衍射光學成像光譜儀的基本原理，如圖1所示，利用衍射透鏡l的軸向 色散同時完成成像和色散功能，但其色散不是象傳統(tǒng)的光柵那樣垂直于光軸色散，而是沿著光軸方向色散，在焦平面處放置面陣探測器3，某一波長X 的輻射成像于該探測器3，但其它波長(例如X-AX、人+AX，圖1中F為入 波長相對于衍射透鏡1的焦平面、R為X-AX波長相對于衍射透鏡1的焦平 面、F2為人+A人波長相對于衍射透鏡l的焦平面)的輻射都是由于衍射透鏡l 的色散作用成為模糊的圖像，為了獲取全波段上的圖像和光譜，改變衍射透鏡 1和探測器3之間的距離并進行數(shù)據(jù)采集，對系統(tǒng)進行定標并對最終數(shù)據(jù)采 用三維光學切片顯微成像技術(shù)中的解巻積算法進行圖像處理，就可獲得一定 光譜范圍內(nèi)的光譜圖像數(shù)據(jù)。從上述衍射光學成像光譜技術(shù)的原理中可知，衍射透鏡既是分光元件又 是成像元件，衍射透鏡的焦距隨波長變化改變了系統(tǒng)的F數(shù)，因此改變了系 統(tǒng)的橫向放大倍率，即系統(tǒng)放大率是波長的函數(shù)，這將引起光譜圖像的像元配準誤差，得到并不精確的相對光譜信號強度，因此必須采取措施，補償成 像過程中的這一缺點，使不同波長的圖像放大倍率相等?，F(xiàn)有技術(shù)中已有的 方法之一 (見美國專利US5986758)是對獲取的不同放大率的光譜圖像進行重 采樣，處理后得到相同放大率的圖像，然后進行光譜圖像重建，但這樣做可 能會產(chǎn)生新的問題，非整數(shù)像元采樣會引起圖像的邊緣模糊，導致圖像配準 誤差；另外一種方法為(見美國專利US5986758)，在系統(tǒng)中增加一個變焦系 統(tǒng)，使不同波長的圖像保持放大率恒定，但增加了光學系統(tǒng)和機械結(jié)構(gòu)的復 雜度。另外，在衍射透鏡制作上，存在兩個限制因素衍射透鏡F數(shù)的大小 決定了其衍射結(jié)構(gòu)周期及子周期的大小，F(xiàn)數(shù)越小，周期及子周期越??；衍 射元件的最大有效口徑是又一個限制因素，口徑的大小與對制作質(zhì)量的要求 有關(guān)，就二元光學元件的制作來說，要制造大口徑的二元光學元件，在制版， 光刻和刻蝕等各道工序上都存在很多困難，基于上述基本結(jié)構(gòu)設(shè)計的衍射透 鏡，F(xiàn)數(shù)偏小，造成衍射透鏡加工困難。考慮到國內(nèi)衍射透鏡加工工藝條件 的限制因素等，設(shè)計單一的衍射透鏡來實現(xiàn)色散和成像變得不太現(xiàn)實。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明所要解決的一個技術(shù)問題是提供一種橫向放大率恒定的衍射光學 成像光譜儀的成像結(jié)構(gòu)。為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種橫向放大率恒定的衍射光學成像 光譜儀的成像結(jié)構(gòu)，包括衍射透鏡；還包括位于衍射透鏡一側(cè)的消像差透鏡; 衍射透鏡位于消像差透鏡的焦平面上。在本發(fā)明成像結(jié)構(gòu)中，衍射透鏡兼作系統(tǒng)的孔徑光闌，成像結(jié)構(gòu)的有效 焦距,為消像差透鏡的焦距/2，橫向放大率M為M = -~—-誦-①式 中，"為觀測目標與消像差透鏡第一主面間的距離，/2為消像差透 鏡的焦距。可見，當"，/2固定不變時，本發(fā)明成像結(jié)構(gòu)的橫向放大率不變。 將此成像結(jié)構(gòu)沿光軸方向?qū)λ璨ǘ蔚某上穹秶M行掃描，在各相應波長位 置處由探測器獲得光譜圖像。所得圖像是某一波長準確聚焦所成的像與其它 波長在不同離焦位置所成的像的疊加。利用三維光學切片顯微成像技術(shù)中的 三維解巻積算法消除不需要的模糊成分，就可獲取某一波長所成的像。獲取圖像的探測器可以設(shè)在消像差透鏡的與衍射透鏡相對的一側(cè)。衍射透鏡可以采用諧衍射透鏡，衍射透鏡的衍射面可制作在平面、球面 或非球面基底上；消像差透鏡可采用透射或反射式消色差光學系統(tǒng)?？梢赃@樣來實施本發(fā)明成像結(jié)構(gòu)衍射透鏡和消像差透鏡二者相對位置 固定，探測器與衍射透鏡、消像差透鏡可沿衍射透鏡的軸向方向發(fā)生相對運 動。即，可以使衍射透鏡和消像差透鏡二者固定、探測器可沿衍射透鏡的軸 向方向運動；或者，可以使探測器固定、衍射透鏡和消像差透鏡可沿衍射透 鏡的軸向方向運動。本發(fā)明所要解決的另一個技術(shù)問題是提供一種橫向放大率恒定的衍射 光學成像光譜儀的成像結(jié)構(gòu)的使用方法。為解決該技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種橫向放大率的衍射光學成像光譜儀 的成像結(jié)構(gòu)的使用方法，獲取無窮遠處目標的圖像時，可使探測器固定不動、 沿衍射透鏡的軸向方向移動衍射透鏡和消像差透鏡進行軸向掃描，或者使衍 射透鏡和消像差透鏡固定不動、沿衍射透鏡的軸向方向移動探測器進行軸向 掃描；獲取有限距離處目標的圖像時，可使衍射透鏡和消像差透鏡固定不動、沿衍射透鏡的軸向方向移動探測器進行軸向掃描。結(jié)合式①，沿衍射透鏡的 軸向方向移動衍射透鏡和消像差透鏡進行軸向掃描，"均為m， /2是不變的，橫向放大率恒定;沿衍射透鏡的軸向方向移動探測器進行軸向掃描的情況下， "、/2是不變的，橫向放大率也是恒定的。本發(fā)明可用于可見近紅外(0.4 1]Lim)、中波紅外(3 5pm)和長波紅 外(8 14pm)的衍射光學超光譜成像儀光學遙感系統(tǒng)。本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明成像結(jié)構(gòu)橫向放大率恒定，其有效焦距厶由 消像差透鏡的焦距/2決定，衍射透鏡的焦距可以很大，由系統(tǒng)的光譜分辨率 來決定，這樣就降低了衍射透鏡的加工難度，同時解決了背景技術(shù)中系統(tǒng)橫 向放大倍率隨波長變化和衍射透鏡加工難的技術(shù)問題。本發(fā)明成像結(jié)構(gòu)的部 件簡單易得，實施容易，使用方便。


下面通過具體實施方式
并結(jié)合附圖，對本發(fā)明作進一步的詳細說明 圖1是現(xiàn)有技術(shù)中衍射光學成像光譜儀的基本原理示意圖； 圖2是本發(fā)明一種具體實施方式
的原理示意圖。
具體實施方式
圖2示出了本發(fā)明的一種具體實施方式
。如圖2所示，該成像結(jié)構(gòu)包括衍射透鏡1和位于衍射透鏡1的光軸上的消像差透鏡2、 CCD探測器3，衍射透鏡1位于消像差透鏡2的前焦平面上。 為清楚示意該成像結(jié)構(gòu)的成像原理，圖2中一并示出了觀測目標4。圖2中，P,是消像差透鏡2的第一主面，P2是消像差透鏡2的第二主面， 觀測目標4與P,之間的距離為"，像與P2之間的距離為v，衍射透鏡1的焦 距為，消像差透鏡2的焦距為/2 。根據(jù)幾何光學原理，經(jīng)過簡單的計算可知，該成像結(jié)構(gòu)的有效焦距/;、橫向放大率M和像與P2之間的距離v分別為<formula>formula see original document page 6</formula>從式①中可看出，當"，/2固定不變時，該成像結(jié)構(gòu)的橫向放大率不變。 由式②可知，該成像結(jié)構(gòu)的有效焦距,由消像差透鏡的焦距/2決定；由式③可知，像到消像差透鏡2第二主面的距離v由衍射透鏡1的焦距,決定。將該成像結(jié)構(gòu)沿光軸方向?qū)λ璨ǘ蔚某上穹秶M行掃描，在各相應波 長位置處由探測器獲得光譜圖像。所得圖像是某一波長準確聚焦所成的像與 其它波長在不同離焦位置所成的像的疊加。利用三維光學切片顯微成像技術(shù) 中的三維解巻積算法消除不需要的模糊成分，就可獲取某一波長所成的像。使用該成像結(jié)構(gòu)時，如果要獲取無窮遠處目標的光譜圖像，可使探測器3固定不動、沿衍射透鏡1的軸向方向移動衍射透鏡1和消像差透鏡2進行 軸向掃描，或者使衍射透鏡1和消像差透鏡2固定不動、沿衍射透鏡1的軸 向方向移動探測器3進行軸向掃描;如果要獲取有限距離處目標的光譜圖像， 可使衍射透鏡1和消像差透鏡2固定不動、沿衍射透鏡1的軸向方向移動探 測器3進行軸向掃描。結(jié)合式 ，沿衍射透鏡1的軸向方向移動衍射透鏡1 和消像差透鏡2進行軸向掃描，"均為①，/2是不變的，橫向放大率恒定； 沿衍射透鏡1的軸向方向移動探測器3進行軸向掃描的情況下，"、/2是不 變的，橫向放大率也是恒定的?？梢愿鶕?jù)光學原理進行以下計算，以設(shè)計橫向放大率恒定的衍射光學成 像光譜儀的成像結(jié)構(gòu)。衍射透鏡1的焦距與波長成反比式④中/。是設(shè)計波長;i。針對衍射透鏡i的焦距。將式④代入式③，得到<formula>formula see original document page 7</formula>因此，目標的像相對于消像差透鏡2第二主面的距離v依賴于波長義，相 反，當己知"和v時，可求出波長h義=<formula>formula see original document page 7</formula>當目標是在無限遠時，§口" = 00代入式 ，得到 v = /2-盒-—⑦義一⑧設(shè)計計算示例'有關(guān)光學參數(shù)為，采用波段為0.4pm l^im的可見近紅外光，設(shè)計波長 義。=0.6328戶，衍射透鏡l的口徑D為65mm， F數(shù)為5，光譜分辨率5nm左 右，瞬時視場(IFOV) 0.04mrad，總視場(TFOV) 1.66°,光譜分辨率A義-5臓，沿軸步進掃描間隔^ = 0_2,。經(jīng)過計算，/2=DXFf(=65X5=325mm。 將式 的等號兩邊對義求導，則/。丄M…畫畫⑨△V 義0將/2、 Ao、 av和a;i代入式⑨，可得/"n =^_.^1 = ^^---^~ = 4173mmAv義。 0.2 632.8由式⑦經(jīng)過計算得到，& = 0.4戶日寸，^ = 309mm ;義2 = l戶時，v2 = 285mm 。在整個光譜范圍，沿軸色散距離大約為24mm。衍射透鏡最小周期丄=2義。尸A^ = 2義。/。 /Z) = 2x 0.6328x 4173 + 65 = 81，，因此 可利用二元光學技術(shù)將衍射透鏡加工成8階或16階相位透鏡。以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明， 不能認定本發(fā)明的具體實施只局限于這些說明。對于本發(fā)明所屬技術(shù)領(lǐng)域的 普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單推 演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明的保護范圍。
權(quán)利要求
1、一種橫向放大率恒定的衍射光學成像光譜儀的成像結(jié)構(gòu)，包括衍射透鏡；其特征在于還包括位于所述衍射透鏡一側(cè)的消像差透鏡；所述衍射透鏡位于所述消像差透鏡的焦平面上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的成像結(jié)構(gòu)，其特征在于在所述消像差透鏡 的與所述衍射透鏡相對的一側(cè)，設(shè)有探測器。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的成像結(jié)構(gòu)，其特征在于所述衍射透鏡 可以為諧衍射透鏡，所述衍射透鏡的衍射面可制作在平面、球面或非球面基 底上；消像差透鏡可采用透射或反射式消色差光學系統(tǒng)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2所述的成像結(jié)構(gòu)，其特征在于所述衍射透鏡和消像差透鏡二者相對位置固定，所述探測器可與所述衍射透鏡、消像差透鏡沿 所述衍射透鏡的軸向方向發(fā)生相對運動。
5、 權(quán)利要求1所述橫向放大率恒定的衍射光學成像光譜儀的成像結(jié)構(gòu)的使用方法，其特征在于獲取無窮遠處目標的光譜圖像時，可使所述探測器 固定不動、沿所述衍射透鏡的軸向方向移動所述衍射透鏡和消像差透鏡進行 軸向掃描，或者使所述衍射透鏡和消像差透鏡固定不動、沿所述衍射透鏡的 軸向方向移動所述探測器進行軸向掃描;獲取有限距離處目標的光譜圖像時，可使所述衍射透鏡和消像差透鏡固定不動、沿所述衍射透鏡的軸向方向移動 所述探測器進行軸向掃描。
全文摘要
本發(fā)明提供一種橫向放大率恒定的衍射光學成像光譜儀的成像結(jié)構(gòu)，包括衍射透鏡；還包括位于衍射透鏡一側(cè)的消像差透鏡；衍射透鏡位于消像差透鏡的焦平面上。本發(fā)明還提供一種橫向放大率恒定的衍射光學成像光譜儀的成像結(jié)構(gòu)的使用方法，使探測器與衍射透鏡、消像差透鏡發(fā)生相對運動可獲得光譜圖像。本發(fā)明成像結(jié)構(gòu)橫向放大率恒定，其有效焦距f_c由消像差透鏡的焦距f₂決定，衍射透鏡的焦距可以很大，由系統(tǒng)的光譜分辨率來決定，這樣就降低了衍射透鏡的加工難度，同時解決了背景技術(shù)中系統(tǒng)橫向放大倍率隨波長變化和衍射透鏡加工難的技術(shù)問題。本發(fā)明成像結(jié)構(gòu)的部件簡單易得，實施容易，使用方便。
文檔編號G01J3/28GK101271023SQ20081006575
公開日2008年9月24日 申請日期2008年2月29日 優(yōu)先權(quán)日2008年2月29日
發(fā)明者斌 于, 翔 彭, 牛憨笨 申請人:深圳大學