裴琳琳、相里斌，、劉揚陽、呂群波、邵曉鵬

1. 西安電子科技大學、陜西 西安 710071 2. 中國科學院光電研究院、北京 100094

基于Wollaston棱鏡的圖像復分快照式成像光譜儀設計

裴琳琳1、相里斌1，2、劉揚陽2*、呂群波2、邵曉鵬1

1. 西安電子科技大學、陜西 西安 710071 2. 中國科學院光電研究院、北京 100094

設計一種以Wollaston棱鏡為分光元件的圖像復分快照式成像光譜系統(tǒng)、主要包括前置望遠物鏡、準直鏡、Wollaston棱鏡組、成像鏡和補償濾光片。此類光學系統(tǒng)可以一次曝光獲取同一目標景物在不同波長下的二維信息。光束經過Wollaston棱鏡組分光、為了使不同波長對應景物不至于重疊、要求分束角度比較大、這樣進入成像鏡的光線入射角度相對較大、無疑增加了成像鏡的設計難度。分析了基于Wollaston棱鏡的圖像復分快照式成像光譜儀的原理及特點、設計了一套完整的成像光譜系統(tǒng)。全系統(tǒng)結構復雜、光學系統(tǒng)的光闌必須匹配好。為了使得不僅單個鏡頭成像質量良好、而且鏡組之間能夠良好的銜接、將前置望遠物鏡設計為像方遠心結構、準直鏡設計為物方遠心結構。全系統(tǒng)采用多重結構、使得16個譜段在56線對處的MTF值均接近衍射極限、點列圖中RMS值基本都在艾里斑以內、系統(tǒng)成像質量良好。

成像光譜儀； 光學設計； Wollaston棱鏡

引 言

成像光譜儀是20世紀80年代發(fā)展興起的、因其可以同時獲得目標景物的二維空間信息和一維光譜信息、即數(shù)據立方體、故在地質分析、地面測繪、礦產勘探、醫(yī)療器械、軍事監(jiān)測、自然災害預警等方面有著很重要的應用[1]。成像光譜儀有多種分類方式、不同類型的成像光譜儀因其獨有的特征都有著很具體的應用場合和應用方式。

本設計的成像光譜儀最大的特點是一次成像可以獲得同一目標景物不同波長下的景物、不需要從復雜的數(shù)據立方體中解算、即實現(xiàn)快照式。為此、設計了一套完整的光學系統(tǒng)、并對其進行了詳細的像質評價和公差分析。

1 基于Wollaston棱鏡的圖像復分快照式成像光譜系統(tǒng)原理

圖像復分是利用棱鏡對入射光線進行多次分光、光學系統(tǒng)設計中、棱鏡之后的成像系統(tǒng)需要兼顧入射光線分開的各個光線角度在多個視場下的成像質量。本文設計的成像光譜系統(tǒng)的成像原理如圖1所示、通過前置鏡將無窮遠目標成像在一次像面處、然后經過準直鏡實現(xiàn)準直、使得平行光進入分光元件、再進入成像鏡、各路光束經過不同厚度的補償平板、最終在探測器上同時清晰成像。

圖1 成像光譜系統(tǒng)原理圖

光束經過Wollaston棱鏡組分光之后獲得多束復色光[2]、各復色光從不同的角度、位置經過成像鏡、此時、需要特別要求成像鏡的視場角。

2 成像光譜儀光學系統(tǒng)設計

2.1 系統(tǒng)設計指標

根據實驗室已有探測器、選用像元尺寸為9 μm×9 μm、像元數(shù)為4 038×3 024、光學系統(tǒng)技術指標如、譜段范圍：0.45～0.85 μm； 平均光譜分辨率：25 nm； 波段數(shù)：16； 空間分辨率：0.2 mrad； 視場角：1.25°。

2.2 前置鏡設計

從光學系統(tǒng)技術指標要求看、前置鏡和準直鏡結構的設計易于實現(xiàn)。選用常見庫克三片式的初始結構、在此基礎上優(yōu)化前置鏡、實現(xiàn)遠心結構[3-4]。準直鏡的目的是對進入系統(tǒng)的光線實現(xiàn)準直、也實現(xiàn)遠心結構設計、易于兩個鏡頭的銜接、這種設計便于全系統(tǒng)的裝調。

選用的探測器像元尺寸為9 μm、系統(tǒng)技術指標要求空間分辨率為0.2 mrad、故得到系統(tǒng)焦距為

前置鏡結構的優(yōu)化結果如圖2所示、采用4個鏡片兩種材料、加工易于實現(xiàn)、成本較低。曲率、公差采用常規(guī)鏡片加工要求、成本也較低。

圖2 前置鏡結構

2.3 Wollaston棱鏡設計

一束單色自然光入射在各向同性介質界面時、按照折射定律、折射光只有一束、而當光束入射在各向非同性的晶體表面上折射時、能夠有兩束折射的線偏振光出射、這種現(xiàn)象稱為雙折射[5-6]。晶體中的兩束折射光中、一束的折射行為遵行折射定律、即不論入射光的入射角如何、折射光總在入射面內、且入射角的正弦和折射角的正弦之比為常數(shù)、稱這束光為尋常光(o光)； 另一束折射光、一般情況下、入射角的正弦與折射角的正弦之比不是常數(shù)、且折射光往往不在入射面內、即不遵守折射定律、稱之為非常光(e光)[7]。

雙折射晶體的棱鏡結構可以實現(xiàn)對光束的分光、其中Wollaston棱鏡是由兩塊光軸相互垂直、結構相似的光楔組成。一個Wollaston棱鏡可將一束入射光線分成沿不同方向傳播的兩束光線、如圖3所示。在第一塊棱鏡中、o和e光線沿相同路徑傳播、在進入第二塊棱鏡后、兩光線分開、在出射面上兩光線夾角進一步增大。由于兩塊棱鏡的光軸相互垂直、在第一塊棱鏡中的o光在第二塊棱鏡中則成為e光、第一塊棱鏡中的e光在第二塊棱鏡中則成為o、出射的oe光和eo光之間有一定夾角[8]。

圖3 Wollaston棱鏡

光線第一次經過棱鏡后、分為兩束光、經過波片起偏之后再次經過棱鏡、兩束光線被分為四束、以此類推、光線經過四個棱鏡之后、光束實現(xiàn)16束分光[9]。最終、經過濾光片補償光程將所有光線通過成像鏡成像在探測器上。

2.4 全系統(tǒng)像質評價

將前置鏡、準直鏡和Wollaston棱鏡組銜接在一起、后面成像鏡也采用庫克三片的初始結構、在全系統(tǒng)中對成像鏡進行優(yōu)化、要求各個視場、波長下成像質量良好[10]、最終得到全系統(tǒng)結構如下圖所示。系統(tǒng)設計采用多重結構的設計優(yōu)化方法、對每一種結構對應的像質單獨評價。表1為各個結構的調制傳遞函數(shù)(MTF)、在56 lp·mm-1處、系統(tǒng)的MTF值接近衍射極限、基本在0.7以上。表2為各個結構的點列圖(SPT)值、從圖中可以看出、各結構的點列圖基本都在艾里斑以內、絕對都在一個像元以內。顯然、全系統(tǒng)成像質量良好。

圖4 全系統(tǒng)光學結構圖

通過光線追跡的方式、得到(0,0)、(1,1)、(-1、-1)三個視場的光線投射位置、查看多重結構像面的分塊是否有重疊、在matlab中仿真各個光點的投射位置。

表1 16個復分結構的MTF

Table 1 The MTF of the system

續(xù)表1

表2 16個復分結構的點列圖

續(xù)表2

如圖5中方框為一幅復分圖像的位置、其中、圓點為(0.0)視場、朝右箭頭為(1,1)視場、朝左箭頭為(-1、-1)、以中心視場畫線、顯然、在最終探測器靶面上、分塊沒有重疊。

圖5 各個復分結構投射位置

通過光線追跡的方式、查看系統(tǒng)的譜帶彎曲和譜線彎曲、以0視場為基準、查看多重結構的各個結構邊緣視場光線投射位置、如表3所示。

表3 系統(tǒng)譜帶彎曲和譜線彎曲

2.5 公差分析

對該成像光譜系統(tǒng)進行公差分析、需要對其進行公差分配、以充分考慮加工和裝調給系統(tǒng)成像質量帶來的影響。在光學設計軟件ZEMAX中、公差分析分為三種方式、敏感度分析、反敏感度分析和蒙特卡洛(Monte Carlo)分析。本設計采用敏感度分析和蒙特卡洛分析對相機光學系統(tǒng)進行公差分配和分析。

加工和裝調工作中、誤差源主要有透鏡的曲率半徑、中心厚度、材料的折射率、阿貝數(shù)、表面的傾斜和偏心、元件的傾斜和偏心、空氣間隔等。為考察這些誤差對最終成像質量的影響、首先根據經驗值以加工上比較寬松的工藝給定各個參數(shù)的公差值、通過ZEMAX的敏感度分析工具、確定對于特定指標影響最大的誤差源、再根據分析結果、確定是否收緊相應尺寸的公差。前置鏡的加工和裝調過程是單獨進行的、故對其進行公差分析、得到影響成像質量的最敏感因素、用于指導加工和裝調過程中的公差分配。通過ZEMAX的敏感度分析得到對成像影響最大的參數(shù)。

為了預測潛質光學系統(tǒng)所有公差綜合作用下的結果、采用蒙特卡洛方法進行模擬。選用637.5 nm為檢測波長、進行20次蒙特卡洛模擬、結果見表4所示。

表4 前置鏡蒙特卡洛分析

本光學結構設計采用多重結構方式、選用檢測波長637.5 nm對全系統(tǒng)的斜對角三個復分結構視場做公差分析、即對左上角、中心、右下角三個位置分別進行敏感度分析、控制敏感元件、并對光學系統(tǒng)進行蒙特卡洛分析、得到的分析結果如表5所示。

表5 全系統(tǒng)蒙特卡洛分析

從表5中數(shù)值可知、檢測波長為637.5 nm時、在56 lp·mm-1處、在給定的相對寬松的公差范圍內、左上角復分圖幅的MTF值有90%在概率大于0.578、較設計值下降了23%、中心復分圖幅的MTF值有90%的概率大于0.683、較設計值下降了5%、右下角復分圖幅的MTF值有90%的概率大于0.672、較設計值下降了9%、以上的公差在目前的加工和裝調水平下、均容易實現(xiàn)。

3 結 論

設計了基于Wollaston棱鏡的圖像復分快照式成像光譜儀系統(tǒng)、考慮系統(tǒng)結構特性、采用Zemax中特有的多重結構進研優(yōu)化設計。為使得全系統(tǒng)復分得到的16幅圖像既沒有重疊、又能夠獨立分開、對Wollaston棱鏡進行了優(yōu)化選型設計、而棱鏡分束之后的大口徑光束進入成像鏡系統(tǒng)、在多重結構中多種評價標準下、最終獲得良好的成像質量。

此種形式成像光譜系統(tǒng)一次成像可以實時獲得同一目標景物的16個譜段的二維空間圖像、在動目標檢測方面可以有突出表現(xiàn)。但是此類光學系統(tǒng)也有一定缺陷、因為系統(tǒng)光學元件多、結構復雜、勢必造成光學系統(tǒng)能量利用率低、信噪比差。具體該光學系統(tǒng)信噪比與分束組件優(yōu)化設計的關系、還需要進一步的研究分析。

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*Corresponding author

The Snapshot Imaging Spectrometer with Image Replication Based on Wallaston Prism

PEI Lin-lin1,XIANGLI Bin1,2,LIU Yang-yang2*,Lü Qun-bo2,SHAO Xiao-peng1

1. Xidian University,Xi’an 710071,China 2. Academy of Opto-Electronics,Chinese Academy of Sciences,Beijing 100094,China

In this paper,a kind of snapshot imaging spectrometer is designed by using image replication based on Wollaston prism. The system includes telephoto lens,collimator lens,Wollaston prism,the imaging lens and compensation filters. With this optical system,we can obtain two-dimensional information at different wavelengths of the same target through one time exposure. When Light beam is passing Wollaston prisms,in order to make sure that the different wavelengths will not overlap,the Wollaston prism needs to be designed with relatively large beam splitting angle. Then the incidence angle of the imaging lens is relatively large. It will increase the difficulty of the imaging lens design. We design,analyze the principle and the characteristics of the snapshot imaging spectrometer using image replication based on Wollaston prism,and design a complete set of imaging spectrometer system. The structure is complex; the aperture of the optical system must be well matched. In order to make sure that we can obtain good image quality through the single lens,but also the whole system,we design the telephoto lens which is imaging telecentric structure,the collimator lens which is objective telecentric structure. We use the multiple structures in ZEMAX to optimize the 16 spectral bands. At 56 lp·mm-1,the MTF is close to the diffraction limit,the RMS of the SPT is in the Airy disk,proving good image quality.

Imaging spectrometer； Optical system design； Wollaston prism

Dec. 4,2015; accepted Apr. 8,2016)

2015-12-04、

2016-04-08

國家自然科學基金項目(61505220)、國家高技術研究發(fā)展計劃(863計劃)項目(61225024)資助

裴琳琳、1987年生、西安電子科技大學博士研究生 e-mail: pll@aoe.ac.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: Liuyangyang@aoe.ac.cn

TH744.1

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)12-4105-08