[发明专利]横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构及其使用方法

说明书

技术领域

本发明涉及成像光谱技术，尤其是一种横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构及其使用方法。

背景技术

成像光谱仪是近年来随着对地观测的需要和光电技术的进步而发展起来的新一代遥感仪器，它将传统二维成像遥感技术与光谱仪技术有机结合在一起，能在获取所观测对象二维空间信息的同时，以高光谱分辨率获取目标的光谱图像。由于所获得的光谱图像数据中含有与被观测目标组分有关的光谱信息，可以揭示观测对象的光谱特性、存在状况以及物质成分，从而使直接识别成像目标成为可能。因此，成像光谱仪在大气、海洋和陆地等观测中得到了广泛的应用。

新兴的衍射光学超光谱成像技术就是在这种背景下发展起来的采用步进凝视方式工作的超光谱成像技术，其具有光学结构简单、重量轻、光通量大、信噪比高、凝视成像等突出的优点，是更具有发展潜力的新兴超光谱成像技术。

衍射光学成像光谱仪的基本原理，如图1所示，利用衍射透镜1的轴向色散同时完成成像和色散功能，但其色散不是象传统的光栅那样垂直于光轴色散，而是沿着光轴方向色散，在焦平面处放置面阵探测器3，某一波长λ的辐射成像于该探测器3，但其它波长(例如λ-Δλ、λ+Δλ，图1中F为λ波长相对于衍射透镜1的焦平面、F₁为λ-Δλ波长相对于衍射透镜1的焦平面、F₂为λ+Δλ波长相对于衍射透镜1的焦平面)的辐射都是由于衍射透镜1的色散作用成为模糊的图像，为了获取全波段上的图像和光谱，改变衍射透镜1和探测器3之间的距离并进行数据采集，对系统进行定标并对最终数据采用三维光学切片显微成像技术中的解卷积算法进行图像处理，就可获得一定光谱范围内的光谱图像数据。

从上述衍射光学成像光谱技术的原理中可知，衍射透镜既是分光元件又是成像元件，衍射透镜的焦距随波长变化改变了系统的F数，因此改变了系统的横向放大倍率，即系统放大率是波长的函数，这将引起光谱图像的像元配准误差，得到并不精确的相对光谱信号强度，因此必须采取措施，补偿成像过程中的这一缺点，使不同波长的图像放大倍率相等。现有技术中已有的方法之一(见美国专利US5986758)是对获取的不同放大率的光谱图像进行重采样，处理后得到相同放大率的图像，然后进行光谱图像重建，但这样做可能会产生新的问题，非整数像元采样会引起图像的边缘模糊，导致图像配准误差；另外一种方法为(见美国专利US5986758)，在系统中增加一个变焦系统，使不同波长的图像保持放大率恒定，但增加了光学系统和机械结构的复杂度。另外，在衍射透镜制作上，存在两个限制因素：衍射透镜F数的大小决定了其衍射结构周期及子周期的大小，F数越小，周期及子周期越小；衍射元件的最大有效口径是又一个限制因素，口径的大小与对制作质量的要求有关，就二元光学元件的制作来说，要制造大口径的二元光学元件，在制版，光刻和刻蚀等各道工序上都存在很多困难，基于上述基本结构设计的衍射透镜，F数偏小，造成衍射透镜加工困难。考虑到国内衍射透镜加工工艺条件的限制因素等，设计单一的衍射透镜来实现色散和成像变得不太现实。

发明内容

本发明所要解决的一个技术问题是提供一种横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构。

为解决上述技术问题，本发明提供一种横向放大率恒定的衍射光学成像光谱仪的成像结构，包括衍射透镜；还包括位于衍射透镜一侧的消像差透镜；衍射透镜位于消像差透镜的焦平面上。

在本发明成像结构中，衍射透镜兼作系统的孔径光阑，成像结构的有效焦距f_c为消像差透镜的焦距f₂，横向放大率M为：

M=-f2u-f2]]>-----①