基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪设计

裴琳琳、相里斌，、刘扬阳、吕群波、邵晓鹏

1. 西安电子科技大学、陕西 西安 710071 2. 中国科学院光电研究院、北京 100094

基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪设计

裴琳琳1、相里斌1，2、刘扬阳2*、吕群波2、邵晓鹏1

1. 西安电子科技大学、陕西 西安 710071 2. 中国科学院光电研究院、北京 100094

设计一种以Wollaston棱镜为分光元件的图像复分快照式成像光谱系统、主要包括前置望远物镜、准直镜、Wollaston棱镜组、成像镜和补偿滤光片。此类光学系统可以一次曝光获取同一目标景物在不同波长下的二维信息。光束经过Wollaston棱镜组分光、为了使不同波长对应景物不至于重叠、要求分束角度比较大、这样进入成像镜的光线入射角度相对较大、无疑增加了成像镜的设计难度。分析了基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪的原理及特点、设计了一套完整的成像光谱系统。全系统结构复杂、光学系统的光阑必须匹配好。为了使得不仅单个镜头成像质量良好、而且镜组之间能够良好的衔接、将前置望远物镜设计为像方远心结构、准直镜设计为物方远心结构。全系统采用多重结构、使得16个谱段在56线对处的MTF值均接近衍射极限、点列图中RMS值基本都在艾里斑以内、系统成像质量良好。

成像光谱仪； 光学设计； Wollaston棱镜

引 言

成像光谱仪是20世纪80年代发展兴起的、因其可以同时获得目标景物的二维空间信息和一维光谱信息、即数据立方体、故在地质分析、地面测绘、矿产勘探、医疗器械、军事监测、自然灾害预警等方面有着很重要的应用[1]。成像光谱仪有多种分类方式、不同类型的成像光谱仪因其独有的特征都有着很具体的应用场合和应用方式。

本设计的成像光谱仪最大的特点是一次成像可以获得同一目标景物不同波长下的景物、不需要从复杂的数据立方体中解算、即实现快照式。为此、设计了一套完整的光学系统、并对其进行了详细的像质评价和公差分析。

1 基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱系统原理

图像复分是利用棱镜对入射光线进行多次分光、光学系统设计中、棱镜之后的成像系统需要兼顾入射光线分开的各个光线角度在多个视场下的成像质量。本文设计的成像光谱系统的成像原理如图1所示、通过前置镜将无穷远目标成像在一次像面处、然后经过准直镜实现准直、使得平行光进入分光元件、再进入成像镜、各路光束经过不同厚度的补偿平板、最终在探测器上同时清晰成像。

图1 成像光谱系统原理图

光束经过Wollaston棱镜组分光之后获得多束复色光[2]、各复色光从不同的角度、位置经过成像镜、此时、需要特别要求成像镜的视场角。

2 成像光谱仪光学系统设计

2.1 系统设计指标

根据实验室已有探测器、选用像元尺寸为9 μm×9 μm、像元数为4 038×3 024、光学系统技术指标如、谱段范围：0.45～0.85 μm； 平均光谱分辨率：25 nm； 波段数：16； 空间分辨率：0.2 mrad； 视场角：1.25°。

2.2 前置镜设计

从光学系统技术指标要求看、前置镜和准直镜结构的设计易于实现。选用常见库克三片式的初始结构、在此基础上优化前置镜、实现远心结构[3-4]。准直镜的目的是对进入系统的光线实现准直、也实现远心结构设计、易于两个镜头的衔接、这种设计便于全系统的装调。

选用的探测器像元尺寸为9 μm、系统技术指标要求空间分辨率为0.2 mrad、故得到系统焦距为

前置镜结构的优化结果如图2所示、采用4个镜片两种材料、加工易于实现、成本较低。曲率、公差采用常规镜片加工要求、成本也较低。

图2 前置镜结构

2.3 Wollaston棱镜设计

一束单色自然光入射在各向同性介质界面时、按照折射定律、折射光只有一束、而当光束入射在各向非同性的晶体表面上折射时、能够有两束折射的线偏振光出射、这种现象称为双折射[5-6]。晶体中的两束折射光中、一束的折射行为遵行折射定律、即不论入射光的入射角如何、折射光总在入射面内、且入射角的正弦和折射角的正弦之比为常数、称这束光为寻常光(o光)； 另一束折射光、一般情况下、入射角的正弦与折射角的正弦之比不是常数、且折射光往往不在入射面内、即不遵守折射定律、称之为非常光(e光)[7]。

双折射晶体的棱镜结构可以实现对光束的分光、其中Wollaston棱镜是由两块光轴相互垂直、结构相似的光楔组成。一个Wollaston棱镜可将一束入射光线分成沿不同方向传播的两束光线、如图3所示。在第一块棱镜中、o和e光线沿相同路径传播、在进入第二块棱镜后、两光线分开、在出射面上两光线夹角进一步增大。由于两块棱镜的光轴相互垂直、在第一块棱镜中的o光在第二块棱镜中则成为e光、第一块棱镜中的e光在第二块棱镜中则成为o、出射的oe光和eo光之间有一定夹角[8]。

图3 Wollaston棱镜

光线第一次经过棱镜后、分为两束光、经过波片起偏之后再次经过棱镜、两束光线被分为四束、以此类推、光线经过四个棱镜之后、光束实现16束分光[9]。最终、经过滤光片补偿光程将所有光线通过成像镜成像在探测器上。

2.4 全系统像质评价

将前置镜、准直镜和Wollaston棱镜组衔接在一起、后面成像镜也采用库克三片的初始结构、在全系统中对成像镜进行优化、要求各个视场、波长下成像质量良好[10]、最终得到全系统结构如下图所示。系统设计采用多重结构的设计优化方法、对每一种结构对应的像质单独评价。表1为各个结构的调制传递函数(MTF)、在56 lp·mm-1处、系统的MTF值接近衍射极限、基本在0.7以上。表2为各个结构的点列图(SPT)值、从图中可以看出、各结构的点列图基本都在艾里斑以内、绝对都在一个像元以内。显然、全系统成像质量良好。

图4 全系统光学结构图

通过光线追迹的方式、得到(0,0)、(1,1)、(-1、-1)三个视场的光线投射位置、查看多重结构像面的分块是否有重叠、在matlab中仿真各个光点的投射位置。

表1 16个复分结构的MTF

Table 1 The MTF of the system

续表1

表2 16个复分结构的点列图

续表2

如图5中方框为一幅复分图像的位置、其中、圆点为(0.0)视场、朝右箭头为(1,1)视场、朝左箭头为(-1、-1)、以中心视场画线、显然、在最终探测器靶面上、分块没有重叠。

图5 各个复分结构投射位置

通过光线追迹的方式、查看系统的谱带弯曲和谱线弯曲、以0视场为基准、查看多重结构的各个结构边缘视场光线投射位置、如表3所示。

表3 系统谱带弯曲和谱线弯曲

2.5 公差分析

对该成像光谱系统进行公差分析、需要对其进行公差分配、以充分考虑加工和装调给系统成像质量带来的影响。在光学设计软件ZEMAX中、公差分析分为三种方式、敏感度分析、反敏感度分析和蒙特卡洛(Monte Carlo)分析。本设计采用敏感度分析和蒙特卡洛分析对相机光学系统进行公差分配和分析。

加工和装调工作中、误差源主要有透镜的曲率半径、中心厚度、材料的折射率、阿贝数、表面的倾斜和偏心、元件的倾斜和偏心、空气间隔等。为考察这些误差对最终成像质量的影响、首先根据经验值以加工上比较宽松的工艺给定各个参数的公差值、通过ZEMAX的敏感度分析工具、确定对于特定指标影响最大的误差源、再根据分析结果、确定是否收紧相应尺寸的公差。前置镜的加工和装调过程是单独进行的、故对其进行公差分析、得到影响成像质量的最敏感因素、用于指导加工和装调过程中的公差分配。通过ZEMAX的敏感度分析得到对成像影响最大的参数。

为了预测潜质光学系统所有公差综合作用下的结果、采用蒙特卡洛方法进行模拟。选用637.5 nm为检测波长、进行20次蒙特卡洛模拟、结果见表4所示。

表4 前置镜蒙特卡洛分析

本光学结构设计采用多重结构方式、选用检测波长637.5 nm对全系统的斜对角三个复分结构视场做公差分析、即对左上角、中心、右下角三个位置分别进行敏感度分析、控制敏感元件、并对光学系统进行蒙特卡洛分析、得到的分析结果如表5所示。

表5 全系统蒙特卡洛分析

从表5中数值可知、检测波长为637.5 nm时、在56 lp·mm-1处、在给定的相对宽松的公差范围内、左上角复分图幅的MTF值有90%在概率大于0.578、较设计值下降了23%、中心复分图幅的MTF值有90%的概率大于0.683、较设计值下降了5%、右下角复分图幅的MTF值有90%的概率大于0.672、较设计值下降了9%、以上的公差在目前的加工和装调水平下、均容易实现。

3 结 论

设计了基于Wollaston棱镜的图像复分快照式成像光谱仪系统、考虑系统结构特性、采用Zemax中特有的多重结构进研优化设计。为使得全系统复分得到的16幅图像既没有重叠、又能够独立分开、对Wollaston棱镜进行了优化选型设计、而棱镜分束之后的大口径光束进入成像镜系统、在多重结构中多种评价标准下、最终获得良好的成像质量。

此种形式成像光谱系统一次成像可以实时获得同一目标景物的16个谱段的二维空间图像、在动目标检测方面可以有突出表现。但是此类光学系统也有一定缺陷、因为系统光学元件多、结构复杂、势必造成光学系统能量利用率低、信噪比差。具体该光学系统信噪比与分束组件优化设计的关系、还需要进一步的研究分析。

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[10] Perreault J D. Optics Letters,2013,38(19): 3874.

*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

国家自然科学基金项目(61505220)、国家高技术研究发展计划(863计划)项目(61225024)资助

裴琳琳、1987年生、西安电子科技大学博士研究生 e-mail: pll@aoe.ac.cn *通讯联系人 e-mail: Liuyangyang@aoe.ac.cn

TH744.1

A

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