衍射光学成像光谱仪

　　衍射光学元件(简称DOES)具有多种应用。用作透镜，在原理上色差非常大，若不在设计上做出补偿，则会限制其在宽波段上使用。美国光量子中心罗姆实验室的DeniseLyonS在1995年4月国际光学工程学会上，提出一种新颖的结构，利用透镜的这种特性设计出用于可见或红外光谱范围的成像光谱仪而不影响其性能。由州厄元件形成像和色散，利用单色光CCD沿光轴方向对所需波段的成像范围进行扫描。每一探测器都位于相应波长的成像区。由CCD接收的像是准确聚焦所成的像与其它波长在不同离焦位置所成的像的重叠。利用计算机层析(CT)技术的事后图像处理消除不需要的模糊成分，而只留下每一波长所成的像。

　　1.成像原理及系统的结构

　　主要元件是衍射透镜，该元件同普通透镜一样会聚入射光线，但不是根据折射而是衍射原理。由于衍射作用产生色差的有效焦距与波长成反比。

　　图1表示该系统的结构示意图。把监视器作为多色光源。DOE元件固定，单色CCD相机沿光轴方向扫描。除图1表示的部分外，还有同阵列探测器相联的计算机，用于事后图像处理和显示。

　　主要的性能因子是在所考虑的波长上DOE的一级衍射效率刻深度d，工作波长和光栅蚀刻的位相数决定，如下式:

当需要考虑多个波长时，可利用图2的曲线选择适合的设计波长。值得注意的是，效率在波长较小的方向下降得更快一些，故入0选择在两个波长中接近较短的波长处。

　　2.实验结果

　　用DOE元件做的成像光谱仪演示装置，口径为5m、材料BK7，2个位相台阶的光栅。在设计波长入。=588nm，焦距f0=20cm时，红、绿、蓝荧光屏所发射波长分别为630nm、20nm、450nm。

　　表1列出了每一波段DOE元件的理论效率和实际效率。

　　采用的CCD相机是型号为SONY一XC一75摄像机，CCD的光敏面为6.2mX4.6mm，像元数为768x494。相机与Maehin-toshQuadr。950图像采集板相连接，用Maephase的Otte:solution数据分析显示软件记录和显示图像。

　　3.图像处理算法

　　CCD接收的三个像1、2、3，分别是三种光谱成像的叠加。以物方点扩散函数(PSF)的卷积来模拟。PSF的每一个下标表示待测的离焦量(0是在焦点上，1是离焦为△Z2是离焦量为2△Z，第二个下标表示波长.对每一波长图像的二维傅里叶变换卷积转化为矩阵标积。由矩阵方程可以得出矢量解O，再利用每一波长的O、的傅里叶逆变换，解出每一物体的光谱。