CN112945383A - 一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学*** - Google Patents

一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学*** Download PDF

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Abstract

本发明一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***,包括:狭缝、准直镜组、棱镜、体相位全息透射光栅和聚焦镜组,孔径光阑位于体相位全息透射光栅上;准直镜组将狭缝出射光准直入射在棱镜和体相位全息透射光栅上,由棱镜和体相位全息透射光栅将准直光进行色散,并经聚焦镜组形成连续色散光谱像投射到像面上。本发明***采用了高衍射效率的色散元件和高数值孔径设计,使得本发明***同时具备高光学传输效率和高光通量;本发明***的光谱分辨率高,成像质量优越,光谱畸变小。

Description

一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***
技术领域
本发明属于高光谱成像技术领域,是一种具有高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪的光学***。
背景技术
具有高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪在植被辐射的日光诱导叶绿素荧光探测等微弱光光谱探测的研究领域具有重要的作用。植物进行物质代谢和能量代谢的基础是光合作用,在太阳光照条件下,光合作用在原初反应、传递吸收光能和电能转换的过程中,会有极小的一部分光能以日光诱导叶绿素荧光(SIF,Solar Induced Fluorescence)形式进行释放,其在植被反射光谱中的占比仅为0.5%-2%。这种微弱的荧光和光合作用有着十分密切的关系,一方面,荧光是光合生产力的直接表征,并与光合速率相互负关联,可指示无胁迫条件下的光合生产力大小。另一方面,荧光特性与植物的受胁迫程度密切相关,可以准确的反映植物对光强、水分、营养环境和病虫害胁迫的忍耐能力以及各类胁迫对植物器官产生的伤害程度,因此荧光被称为植物健康状况和光合作用的“探针”。而传统高光谱成像仪由于光谱分辨率和信噪比的不足,难以满足日光诱导叶绿素荧光的遥感需求。需要进一步发展具有高光通量和高光学性能的超光谱成像探测仪,以满足对其的探测和应用需求,进而提升日光诱导叶绿素荧光在现代植被生态环境研究和精准农业实施中的应用能力。本发明的新型超光谱成像仪光学***设计将针对以下几个问题进行进一步优化改进:
1、提升***的光谱分辨率,达到0.3nm以上的光谱分辨率和0.1nm/像元的光谱采样,以满足SIF的特殊探测机理;
2、提升***的传输效率和数值孔径,实现满足SIF探测所需的高信噪比;
3、在以上前提下,实现光学***的优越光学性能。
发明内容
为了解决现有技术中存在的问题,本发明提供了一种具有高光通量和高光学性能的超光谱成像光谱仪远心光学***,核心分光器件为棱镜-体相位全息透射光栅,在670nm-780nm的荧光特征观测波段具备0.25的数值孔径、0.3nm的光谱分辨率和小于0.2个像元的光谱畸变。
本发明一种具有高光通量、低光谱畸变和高光学成像质量的超光谱成像仪光学***,解决技术问题所采用的技术方案如下:包括狭缝、准直镜组、棱镜、体相位全息透射光栅和聚焦镜组,孔径光阑位于体相位全息透射光栅上;准直镜组将狭缝出射光准直入射在棱镜和体相位全息透射光栅上,由棱镜和体相位全息透射光栅将准直光进行色散,并经聚焦镜组形成连续色散光谱像投射到像面上。
本发明的有益效果是:本发明***采用了高衍射效率的色散元件和高数值孔径设计,使得***同时具备高光学传输效率和高光通量;本发明***的光谱分辨率高,成像质量优越,光谱畸变小。
附图说明
图1本发明一种具有高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪的光学***结构图;
图2本发明一种具有高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***中棱镜光谱畸变分析图;
图3本发明一种具有高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***中光栅光谱畸变分析图;
图4本发明一种具有高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪的光学***全视场全波段均方根半径点列图;
图5本发明一种具有高光通量和高光学性能的超光谱成像光谱仪的光学***光谱畸变图。
具体实施方式
下面结合附图详细说明本发明,其作为本说明书的一部分,通过实施来说明本发明的原理,本发明的其他方面、特征及其优点通过该详细说明将会变得一目了然。
本发明属于高光谱成像技术领域,是一种可对微弱光信息进行有效提取的高光通量和高光学性能超光谱成像仪光学***结构。
请参阅图1,示出本发明一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***组成部分包括:狭缝1、准直镜组、棱镜8、体相位全息透射光栅9和聚焦镜组,孔径光阑位于体相位全息透射光栅9上;准直镜组将狭缝1出射光准直入射在棱镜8和体相位全息透射光栅9上,由棱镜8和体相位全息透射光栅9将准直光进行色散,并经聚焦镜组形成连续色散光谱像投射到像面16上。
进一步的,本发明的***具有0.25-0.3的数值孔径,具有超高的光谱分辨率0.3nm,像元光谱采样0.1nm/像元;色散元件采用一阶衍射效率可达80%-96%的所述体相位全息透射光栅,从而使本发明的***具备高光通量和高传输效率。
其中,所述棱镜与所述体相位全息透射光栅的组合,使本发明的***的固有光谱畸变降低到0.2个像元以下,全视场点列图均方根半径值在全波段下均小于5.5微米,具备优越的成像质量。
其中,所述准直镜组由第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6以及第六透镜7组成,第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6以及第六透镜7依序排列在狭缝1与棱镜8之间。
其中,所述聚焦镜组由第八透镜10、第九透镜11、第十透镜12、第十一透镜13、第十二透镜14以及第十三透镜15组成,第八透镜10、第九透镜11、第十透镜12、第十一透镜13、第十二透镜14以及第十三透镜15依序排列在体相位全息透射光栅9与像面16之间。
本发明***的工作波段为670nm-780nm,满足日光诱导叶绿素荧光探测波段。在***选型方面,在各类已有的成像光谱***形式中,可实现高数值孔径的高性能成像光谱***均为同心光谱仪形式即Offner结构和Dyson结构,其中,Offner结构很难实现0.17以上的数值孔径,而Dyson结构则很难提供荧光探测所需的光谱分辨率,其中Offner是以外国人奥夫纳命名的Offner结构;Dyson是以外国人戴森纳命名的Dyson结构。另外考虑到同心光谱仪所用的光栅多为凸面或凹面全息反射型衍射光栅,其衍射效率较低,一般在25%-40%之间,这种核心分光器件的效率也大大限制了***的光能传输效率。故本发明最终采用具备高数值孔径的透射式成像光谱光学***设计,并使用具有超高一阶衍射效率的体相位全息透射光栅9来提升本发明***的光能传输效率,同时配合棱镜8消除本发明***固有的光谱畸变。
探测器为CMOS,像元数为2048×2048,像素大小为11微米;体相位全息透射光栅9的刻线密度为1200l/mm,本发明***数值孔径为0.25,各光学镜片传输效率高于98%。考虑到本发明***成本,材料的理化性能和加工性能,从工程和材料的易应用性考虑,最终选择了K9和ZF2两种常用材料。为了实现近似1:1的放大倍率,简化设计,本发明***的所述准直镜组和聚焦镜组采用相同结构形式,并相对分光器件对称放置,此设计方法可最大程度消除本发明***的各类像差。所述分光器件由棱镜8和体相位全息透射光栅9组成。
光谱仪中的固有光谱畸变主要由分光器件决定。请参阅图2,示出了棱镜8的光谱畸变分析图,其中:SO为狭缝半高,O为狭缝中心,OO′为本发明***光轴。i1为光线入射角,i2为SO′与光轴的夹角,i3为棱镜法线l与光轴的夹角;α为主截面色散顶角,α′为任意截面色散顶角。c1为主截面交点、c2为任意截面交点。
请参阅图3,示出了体相位全息透射光栅9的光谱畸变分析图,其中:SO为狭缝半高,O为狭缝中心,OO′为本发明***光轴,ε为光线入射角,i=θ为光栅法线l与光轴的夹角。
由图分析可知,棱镜8的光谱畸变方向朝向短波方向,结合图2中的几何关系和光线的衍射定律,可以获得棱镜8的光谱畸变ΔyP表达式为:
Figure BDA0002937222430000051
式中n为棱镜8材料折射率,f1为准直镜组和聚焦镜组的焦距,i3’为狭缝1的中心入射光线的入射角,i3”’为此光线经棱镜8后的出射角,x为狭缝1的高度,α为棱镜8的顶角。
所述体相位全息透射光栅9的光谱畸变方向朝向长波方向,结合图3中的几何关系和光线的衍射定律,可以获得体相位全息透射光栅9的光谱畸变ΔyG表达式为:
Figure BDA0002937222430000052
式中m体相位全息透射光栅9衍射级次,g为体相位全息透射光栅9刻线密度,λ为选定波长,θ0为中心波长衍射角。所述棱镜8和体相位全息透射光栅9的光谱畸变方向相反,故将棱镜8的光谱畸变ΔyP与体相位全息透射光栅9的光谱畸变ΔyG相加为0时,本发明***的光谱畸变得到了很好的校正,由此可以获得棱镜8和体相位全息透射光栅9的最优参数组合。
请参阅图4,给出本发明***的全视场全波段均方根半径点列图。该点列图全面的反映了本发明***的设计评价结果。可以看到,全视场点列图均方根半径值在全波段下均小于5.5微米,即像斑大小可被CMOS像元全包围,因此设计本发明***在全视场全波段均实现了非常好的成像质量。
请参阅图5,给出本发明***的光谱畸变图,图中选择了中心波长和两个边缘波长进行分析。产生最大光谱畸变的波长是边缘波长780nm,畸变大小为2.2微米,达到像元的20%,该数值证明本发明***达到了良好的光谱畸变控制结果。
在设计本发明***像面色散方向上,110nm带宽所占像面宽度为12.99mm,共计1180.7个像元,故像元光谱采样为0.093nm/像素。狭缝1的宽度为33微米,放大倍率为1,狭缝像在像面所占宽度为33微米,共占3个像元,计算得到设计的本发明***的光谱分辨率为0.093nm/像素×3=0.279nm,实现了优于0.3nm的光谱分辨率。
对所公开的实施例的上述说明,使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的,本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下,在其它实施例中实现。因此,本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例,而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***,其特征在于,包括:狭缝、准直镜组、棱镜、体相位全息透射光栅和聚焦镜组,孔径光阑位于体相位全息透射光栅上;准直镜组将狭缝出射光准直入射在棱镜和体相位全息透射光栅上,由棱镜和体相位全息透射光栅将准直光进行色散,并经聚焦镜组形成连续色散光谱像投射到像面上。
2.如权利要求1所述的一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***,其特征在于,进一步的,该***具有0.25-0.3的数值孔径、具有0.3nm的光谱分辨率,像元光谱采样0.1nm/像元;色散元件采用一阶衍射效率可达80%-96%的所述体相位全息透射光栅,使得该***具有高光通量和高传输效率。
3.如权利要求1所述的一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***,其特征在于,所述棱镜与所述体相位全息透射光栅的组合,使该***的固有光谱畸变小于0.2个像元,全视场点列图均方根半径值在全波段下均小于5.5微米,具有优越的成像质量。
4.如权利要求1所述的一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***,其特征在于,所述准直镜组的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜以及第六透镜依序排列在狭缝与棱镜之间。
5.如权利要求1所述的一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***,其特征在于,所述聚焦镜组的第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜以及第十三透镜依序排列在体相位全息透射光栅与像面之间。
6.如权利要求1所述的一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***,其特征在于,进一步的,该***工作波段为670nm-780nm,用于满足日光诱导叶绿素荧光探测波段。
7.如权利要求1所述的一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***,其特征在于,所述准直镜组和所述聚焦镜组采用相同结构,并与棱镜和体相位全息透射光栅对称放置,用于最大程度消除***的像差。
8.如权利要求1所述的一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***,其特征在于,所述棱镜的光谱畸变ΔyP表达式为:
Figure FDA0002937222420000021
式中:n为棱镜材料折射率,f1为准直镜组和聚焦镜组的焦距,i3’为狭缝的中心入射光线的入射角,i3”’为所述光线经棱镜后的出射角,x为狭缝的高度,α为棱镜的顶角。
9.如权利要求1所述的一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***,其特征在于,所述体相位全息透射光栅的光谱畸变ΔyG表达式为:
Figure FDA0002937222420000022
式中:m体相位全息透射光栅衍射级次,g为体相位全息透射光栅刻线密度,λ为选定波长,x为狭缝的高度,f1为准直镜组和聚焦镜组的焦距,θ0为中心波长衍射角。
10.如权利要求1所述的一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学***,其特征在于,所述棱镜和体相位全息透射光栅的光谱畸变方向相反,将棱镜的光谱畸变与体相位全息透射光栅的光谱畸变相加为零时,该***的光谱畸变得到校正,由此获得棱镜和体相位全息透射光栅的最优参数组合。
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US20040070853A1 (en) * 2002-06-11 2004-04-15 Noboru Ebizuka Grism
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