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

Полный текст на elibrary.ru

Публикация в Journal of Optical Technology

Ссылка для цитирования:

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 [на англ. яз.] // Оптический журнал. 2022. Т. 89. № 5. С. 21–30. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-05-21-30

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 [in English] // Opticheskii Zhurnal. 2022. V. 89. № 5. P. 21–30. http://doi.org/10.17586/1023-5086-2022-89-05-21-30

Ссылка на англоязычную версию:

Xiaolong Zhang, Xiujuan Li, and Xiaoyan Tang, "Study on a plane grating spectral imaging system with smile and keystone eliminated," Journal of Optical Technology. 89(5), 262-268 (2022). https://doi.org/10.1364/JOT.89.000262

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

Благодарность:

Работа выполнена при финансовой поддержке Научного фонда управления образования провинции Хэнань (грант № 22А416009), Основного научно-технического проекта провинции Хэнань (грант № 212102210115), Научно-исследовательского фонда докторантуры Наньянского Технологического института (грант № 510119) и Междисциплинарного научного проекта Наньянского Технологического института.

Коды OCIS: 220.2740, 110.4234, 050.1950

Список источников:

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 prismgrating imaging spectrometer // Opt. Exp. 2019. V. 27. № 13. P. 17686–17700.