Научно-технический
«ОПТИЧЕСКИЙ ЖУРНАЛ»
издается с 1931 года
 
   
Русский вариант сайта Английский вариант сайта
   
       
   
       
Статьи последнего выпуска

Электронные версии
выпусков начиная с 2008


Алфавитный указатель
2000-2010 гг


444
Архив оглавлений
выпусков 2002-2007 гг


Реквизиты и адреса

Вниманию авторов и рецензентов!
- Порядок публикации
- Порядок рецензирования статей
- Типовой договор
- Правила оформления
- Получение авторского вознаграждения
- Редакционная этика


Контакты

Подписка

Карта сайта




Журнал с 01.12.2015 допущен ВАК для публикации основных результатов диссертаций как издание, входящее в международные реферативные базы систем цитирования (Web Science, Scopus) (см. Vak.ed.gov.ru Перечень журналов МБД 16.03.2018г)

Аннотации (05.2022) : Исследование системы спектральной визуализации на основе плоской дифракционной решетки с устраненными кривизной и трапециевидностью формируемых спектральных линий

Исследование системы спектральной визуализации на основе плоской дифракционной решетки с устраненными кривизной и трапециевидностью формируемых спектральных линий

DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-05-21-30

УДК 535.4; 543.4; 681.7

Xiaolong Zhang, Xiujuan Li, Xiaoyan Tang

Аннотация

Предмет исследования. Для системы спектральной визуализации, использующей в качестве диспергирующего элемента плоскую дифракционную решетку, предложен и проверен на модели метод коррекции искривления спектральной линии и ее трапецеидального искажения вследствие дисторсии с использованием внеосевой линзы. Метод. Соотношение косинусов направлений преломляющих лучей вдоль осей y и z в заданной системе координат исследовалось методом пространственной трассировки лучей. Анализировалась кривизна формируемых спектральных линий для одиночной преломляющей сферы и внеосевой линзы. Для проверки теоретических положений сравнивались варианты оптической схемы при анализе излучения видимого диапазона длин волн соответственно без использования и с использованием внеосевой линзы, корректирующей кривизну спектральных линий. Основные результаты. Получен критерий оценки кривизны формируемой спектральной линии. Для спектральной системы без внеосевой линзы было достигнуто хорошее качество изображения и высокое спектральное разрешение, которое составляет менее 1 нм. Значения функции передачи модуляции на длинах волн 400, 600 и 800 нм превышают 0,5 на частоте Найквиста. Однако максимальные значения кривизны и трапецеидального искажения спектральных линий составляют 0,07 и 0,06 мм соответственно, что в несколько раз превышает исходную ширину спектральных линий. При использовании в аналогичной схеме внеосевой линзы качество изображения остается практически тем же, что и у предыдущего варианта системы, однако в этом случае кривизна и трепецевидность на всех рабочих длинах волн приблизительно равны 6,24 и 6,40 мкм, что составляет менее половины ширины спектральной линии. Практическая значимость. Установлено, что использование внеосевой линзы является универсальным методом коррекции кривизны и трапециевидности спектральных линий, формируемых спектрометром, использующим диспергирующий элемент в виде плоской дифракционной решетки.

Ключевые слова: система спектральной визуализации, кривизна спектральной линии, трапециевидность спектральной линии, внеосевая линза, плоская дифракционная решетка

 

 

Study on plane grating spectral imaging system with smile and keystone eliminated

Xiaolong Zhang1*, Xiujuan Li, Xiaoyan Tang

Nanyang Institute of Technology, Nanyang, China

1Xiaolong Zhang      long1986lucky@163.com

Abstract

Subject of Study. For grating-based imaging spectrometer, the method using off-axis lens to correct the smile and keystone is proposed and verified by simulation. Method. In the set coordinate system, the ratios of direction cosines of the refractive rays along the y-axis and z-axis are studied using the spatial ray tracing method. And on this basis, the smile characteristics of single refraction sphere and off-axis lens have been analyzed. In order to verify the theory, the visible spectral imaging system without off-axis lens and that with off-axis lens have been optimized respectively. Main Results. The criterion of smile sign has been given and discussed. For the spectral imaging system without off-axis lens, good image quality and high spectral resolution have been achieved, which is less than 1nm. The modulation transfer functions at the wavelengths of 400, 600 and 800 nm are greater than 0.5 at the Nyquist frequency. However, the maximums of the smile and keystone are greater than 0.07 and 0.06 mm respectively, which are several times than the unit size. For the spectral imaging system with off-axis lens, the image quality is basically the same as the previous one. The obvious differences between the two systems are the smile and keystone. For the latter, the maximums of smile and keystone at all working wavelengths in all fields are close to 6.24 and 6.40 µm, which are less than half of the unit size. Practical significance. The smile and keystone caused by plane grating can be corrected by off-axis lens in plane grating-based imaging spectrometer, which provides a universal method for the design of spectral imaging system.

Keywords: spectral imaging system, smile, keystone, off-axis lens, plane grating

Acknowledgments: this research was supported by the Science Foundation of Henan Department of Education(Grant No. 22A416009), the Key Scientific and Technological Project of Henan Province (Grant No. 212102210115), the Doctoral Scientific Research Foundation of Nanyang Institute of Technology (Grant No. 510119), and the Interdisciplinary Sciences Project, Nanyang Institute of Technology.

Citation link: Zhang X.L., Li X.J., Tang X.Y. Исследование спектральной изображающей системы на основе плоской дифракционной решетки с устраненными кривизной и трапецивидностью формируемых спектральных линий. Study on plane grating spectral imaging system with smile and keystone eliminated // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 5. С. 21–30. DOI: 10.17586/1023-5086-2022-89-05-21-30

OCIS codes: 220.2740, 110.4234, 050.1950

 

REFERENCES

1.    Zhao S.H., Wang Q., Li Y., Liu S.H., Wang Z.T., Zhu L., WangZ.F. An overview of satellite remote sensing technology used in China’s environmental protection // Earth Sci. Inform. 2017. V. 10. № 2. P. 137–148.

2.   KozoderovV.V., Dmitriev E.V., Sokolov A.A. Improved technique for retrieval of forest parameters from hyperspectral remote sensing data // Opt. Exp. 2015. V. 23. № 24. P. A1342–A1353.

3.   Hong J., Kim Y., Choi B., Hwang S., Jeong D., Lee J.H., Kim H. Efficient method to measure the spectral distortions using periodically distributed slit in hyperspectral imager // Opt. Exp. 2017. V. 25. № 17. P. 20340–20351.

4.   Skauli T. An upper-bound metric for characterizing spectral and spatial coregistration errors in spectral imaging // Opt. Exp. 2012. V. 20. № 2. P. 918–933.

5.   Zhang X.L., Yu K., Zhang J. Study on imaging spectrometer with smile and keystone eliminated // Opt. Commun. 2017. V. 387. P. 245–251.

6.   Zavarzin V.I., Mitrofanova Yu.S. System solutions for prospective hyperspectral equipment // JOT. 2017. V. 84. № 4. P. 226–230.

7.    Warren D.W., Gutierrez D.J., Hall J.L., Keim E.R. Dyson spectrometers for infrared earth remote sensing // Proc. SPIE. 2008. V. 7082. P. 70820R–70820R–8.

8.   Montero-Orille C., Prieto X., González-Núñez H., Fuente R.D.L. Two-wavelength anastigmatic Dyson imaging spectrometers // Opt. Lett. 2010. V. 35. № 14. P. 2379–2381.

9.   Xu D., Owen J.D., Papa J.C., Reimers J., Suleski T.J., Troutman J.R., Davies M.A., Thompson K.P., Rolland J.P. Design, fabrication, and testing of convex reflective diffraction gratings // Opt. Exp. 2017. V. 25. № 13. P. 15252–15268.

10. Kim S.H., Kong H.J., Chang S. Aberration analysis of a concentric imaging spectrometer with a convex grating // Opt. Commun. 2014. V. 333. P. 6–10.

11.  Zou C.B., Yang J.F., Wu D.S., Zhao Q., Gan Y.Q., Fu D., Yang F.C., Liu H., Bai Q.L., Hu B.L. Design and test of portable hyperspectral imaging spectrometer // J. Sensors. 2017. V. 2017. P. 1–9.

12.       Yuan L.Y., Xie J.N., He Z.P., Wang Y.M., Wang J.Y. Optical design and evaluation of airborne prism-grating imaging spectrometer // Opt. Exp. 2019. V. 27. № 13. P. 17686–17700.