CN104359553B - 一种紧凑型光栅色散光谱成像仪 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧凑型光栅色散光谱成像仪，包括前置望远物镜系统、狭缝、准直‑成像系统、反射光栅及面阵探测器；前置望远物镜系统实现对目标成像的功能；狭缝为视场光阑，限制了目标成像范围；准直‑成像系统一方面将目标狭缝像的出射光束准直，另外也将反射光栅色散后的各波长平行光成像到探测器靶面；反射光栅是色散元件，实现对空间目标的光谱分离；面阵探测器通过光电效应获取和记录数字信息。本发明采用了共用准直、成像系统的方式，简化了传统色散系统的结构。

Description

一种紧凑型光栅色散光谱成像仪

技术领域

本发明涉及一种紧凑型光栅色散光谱成像仪，属于遥感技术领域。

背景技术

光谱成像技术以物质的光谱分析理论为基础，将光谱和成像技术相结合，在成像过程中，以纳米级的光谱分辨率，获得地物几十或几百个波段的连续光谱信息，实现了目标空间信息、辐射信息、光谱信息的同步获取形成三维数据立方体。可直接反映出被观测物体的几何影像和理化信息，实现对目标特性的综合探测感知与识别，极大地扩展了遥感探测技术的目标识别、监测能力，具有其它遥感技术不可取代的优势，被广泛应用于资源勘探、环境和灾害监测、刑事物证鉴定等各种领域。与传统的遥感技术相比，高光谱成像技术具有宽的工作谱段范围，谱段数多。这就对高光谱成像光学系统提出了更高的要求，而一般的高光谱成像系统都分为前置望远物镜和光谱成像系统两个部分，其中光谱成像系统是整个仪器的核心，其分光方式直接影响系统的光机结构复杂性和整个体积质量。按照分光方式的不同高光谱成像仪主要分为棱镜/光栅色散型、干涉成像型、计算成像型等。

干涉型光谱成像技术是在光路中加入了干涉仪，如图1所示的Sagnac横向剪切型光谱成像仪，通过干涉采样结果与光谱特性之间的傅立叶变换关系获取光谱信息，具有多通道、高通量的优点，但是普遍对姿态稳定性要求高，因而在机载平台上获取成功的例子并不多。

计算成像将计算的方法引入成像过程中，一次曝光获得的目标信息，经过后续的数据处理重构，就能获得目标的空间以及光谱信息。主要包括计算层析光谱成像、编码孔径光谱成像以及光场光谱成像技术等。但是通过计算成像获取都不是目标的直接的光谱或空间信息，都需要进过相应的反演重构计算出最终的数据立方体，这就为仪器的设计加工带来了很大挑战，容易受到多种因素的干扰，现阶段还都处于实验室阶段。但是由于计算光谱技术的光谱快速探测、无需扫描、高通量、高稳定度的特点，受到越来越大的关注，是光谱成像技术的重要发展方向。

棱镜分光型成像光谱仪主要是利用不同波长在经过棱镜时，由于折射率的不同会产生不同的偏折角。这样经过物镜成像后，各个谱段的光分别汇聚在像面不同的位置，实现了光谱分离，如图2(a)所示。光栅分光则是利用光栅衍射的原理，同一级次的衍射条纹极大值对应的衍射角与波长有关，同样经过物镜成像在像面后，就能获得所需要的弥散开的谱线，如图2(b)所示。色散型光谱成像技术由于原理简单，不需要经过其他处理，光谱数据能直接获取，因此在遥感平台获得了广泛的应用。

对于传统的色散型高光谱成像仪，色散元件需要工作在准直光路中，目标经过前置望远物镜成像到一次像面狭缝后首先经过准直系统准直后再经过色散元件分光，最后经过成像系统成像到探测器靶面，整个光学系统分为三个部分，系统过于复杂，难于降低体积、质量，不能适应轻小型、快速、灵活搭载平台的应用需求。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种紧凑型光栅色散光谱成像仪，因光线往返，共用准直镜和成像镜，能够大大降低传统色散型光谱成像系统的体积、质量，结构更为紧凑。

本发明技术解决方案：一种紧凑型光栅色散光谱成像仪，包括前置望远物镜系统(1)、狭缝(2)、准直-成像系统(3)、反射光栅(4)及面阵探测器(5)，各部分通过相机整体结构固连；前置望远物镜系统实现对目标成像的功能，将目标成像到狭缝位置，同时为了实现光瞳匹配，前置望远物镜系统(1)设计成像方远心系统；狭缝(2)为视场光阑，限制了目标成像范围，为了避免与最终面阵探测器(5)位置发生干涉，相对于准直-成像系统(3)应离轴设置；准直-成像系统(3)为了与前置望远物镜系统(1)衔接，是一个物方远心系统，一方面要将目标狭缝像的出射光束准直，另一方面又要将光栅色散后的各波长平行光成像到面阵探测器(5)靶面；反射光栅(4)是色散元件，实现对空间目标的光谱分离；面阵探测器(5)通过光电效应获取和记录数字信息；从狭缝(2)像出射光束经过准直-成像系统(3)准直后入射到反射光栅(4)上，经过反射光栅(4)反射分光后，分离的各谱段平行光再次回射到准直-成像系统(3)，第二次经过准直-成像系统(3)最终成像到面阵探测器(5)上，在与狭缝(2)平行方向形成不同谱段的狭缝像，整个面阵探测器(5)对应一行空间目标和若干光谱通道，通过推扫平台的运动，获得目标完整的数据立方体。

一种紧凑型光栅色散光谱成像方法，实现步骤为：

(1)目标出射光线经过前置望远物镜系统，成像到其焦面上，形成目标像；

(2)狭缝限制了目标像的范围，仅狭缝内光线能够出射进入准直-成像系统，得到准直-成像系统的准直，由于狭缝相对于准直-成像系统离轴设置，使得准直后平行光束倾斜入射反射光栅，此倾斜角度取决与狭缝离轴距离，可以根据实际结构设计需要确定；

(3)倾斜平行光入射反射光栅，经反射光栅反射分光后，不同于一般色散光谱成像仪直接入射独立的成像镜，此时各波长平行光再次返回入射准直-成像系统；

(4)准直-成像系统将光栅色散后的各波长平行光成像到面阵探测器上，由于平行光具有倾斜角度，使得与狭缝位置发生分离；

(5)面阵探测器通过光电效应获取和记录目标各波长狭缝像的信息。

与现有技术方案相比，本发明的优点是：

(1)采用共用的准直、成像系统，克服了传统分离式使用两组透镜来分别实现两种功能带来的体积庞大、结构臃肿的缺点，使得整个光谱成像仪系统更为紧凑、轻便，适应于便携式使用和快速发展的轻小型搭载平台；

(2)前置望远物镜系统构成像方远心光路，，减少了后置场镜匹配所带来的一系列问题；

(3)狭缝相对于准直-成像系统离轴设置，避免了与像面位置发生干涉。

总之，本发明采用了共用准直、成像系统的方式，简化了传统色散系统的结构。

附图说明

图1为现有技术本干涉型光谱成像仪示意图；

图2为现有技术色散型光谱成像仪示意图；其中a传统棱镜色散型光谱成像仪示意图，b传统干涉色散型光谱成像仪示意图；

图3为本发明的原理图；

图4为本发明的光学系统结构图；

图5为本发明的准直-成像系统设计示意图

图6为本发明中的全系统全色光点列图；

图7为本发明中的全系统各波长点列图；

图8为本发明中的全系统各波长MTF曲线图。

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

如图3、4所示，本发明包括前置望远物镜系统1、狭缝2、准直-成像系统3、反射光栅4及面阵探测器5，各部分通过相机整体结构固连；前置望远物镜系统1是一个改进型的双高斯系统，实现对目标成像的功能，将目标成像到狭缝2位置，同时为了实现光瞳匹配，前置望远物镜系统1应设计成像方远心系统；狭缝2为视场光阑，限制了目标成像范围，为了避免与最终面阵探测器5位置发生干涉，相对于准直-成像系统3应离轴设置；准直-成像系统3一方面将目标狭缝2的出射光束准直，另外又要将反射4光栅色散后的各波长平行光成像到面阵探测器5靶面，同时为了与前置望远物镜系统3衔接，是一个物方远心系统；反射光栅4是色散元件，实现对空间目标的光谱分离；面阵探测器5通过光电效应获取和记录数字信息；从狭缝2出射光束经过准直-成像系统3准直后入射到反射光栅4上，经过反射光栅4反射分光后，分离的各谱段平行光再次回射到准直-成像系统3，第二次经过准直-成像系统3最终成像到面阵探测器5上，在与狭缝平行方向形成不同谱段的狭缝像，整个面阵探测器对应一行空间目标和若干光谱通道，通过推扫平台的运动，获得目标完整的数据立方体。

表1 光学系统参数分配

本发明中，因为狭缝和面阵探测器在准直-成像系统同侧，为了避免两者位置发生干涉，狭缝相对于准直-成像系统是离轴设置，导致准直后的平行光是倾斜入射反射光栅，这个倾斜角取决与狭缝离轴的距离。显然由于平行光束倾斜入射，使得它与经过反射光栅反射后的光束分开，狭缝出射光线和最终成像的会聚光线也发生分离，保证了狭缝与面阵探测器之间具有足够的位置余量。可以考虑在光路中加入反射镜将狭缝出射光线折转90度，进一步加大结构设计空间余量。

准直-成像系统本方案的关键部件，它既是一个准直镜又是一个成像镜，在进行光学系统设计时，可以将其作为一个成像系统来设计。如图5所示，为准直-成像系统设计示意图，其准直-成像系统3、狭缝2和面阵探测器5，为了保证准直-成像系统在准直和成像两种功能都具有良好的效果，需要将一次像面的狭缝像2位置和最终面阵探测器5所在像面位置中的所有色散开的目标像都作为准直-成像系统3设计时它的视场范围来考察，保证在这整个区域内都具有优良的像质，才能实现准直-成像系统准直和成像功能。

本发明以反射光栅作为整个光谱成像系统的色散元件，为了避免短波高级次衍射光和长波低级次衍射光混叠，其应用谱段范围受到限制。选择光栅负一级衍射光作为成像光束，谱段范围为460～920nm。

前置望远物镜系统视场角18.32度，相对孔径1/4，焦距50mm，采用改进型双高斯结构，是一个透射式的光学系统，能够有效矫正球差、像散、色差等在内的七种像差。准直-成像系统对应狭缝线视场大小16mm，数值孔径为0.125，狭缝宽度10μm。整个系统光谱范围为460～920nm，光谱色散长度1mm，谱段100个。面阵探测器像元大小10μm×10μm，奈奎斯特频率50lp/mm。为实现光瞳匹配，前置望远物镜系统是一个像方远心系统，准直-成像系统则是一个物方远心系统。

图6为该光栅色散光谱成像仪全系统全色光点列图，可以看出在光谱范围460～920nm，光谱色散长度基本达到1mm。

图7为本发明实施例所提供光栅色散光谱成像仪全系统的三个典型波长点列图，三组图分别对应波长460/650/920nm，由图6可知，光斑最大值位于全视场短波460nm处，该处光斑RMS直径小于10um，小于探测器像元尺寸；图8为本发明实施例所提供光栅色散光谱成像仪全系统三个典型波长MTF曲线图，三组图分别对应波长460/650/920nm，由图7可知，在奈奎斯特频率50lp/mm处各波长MTF接近衍射极限，成像质量良好，满足使用要求。

所提到的实施方式仅作为本发明技术方案的示例性说明，而不应解释为对本发明的限制，任何对本发明进行显而易见的局部更改都应视为本发明的替代方案。这种替代方案包括其他类型前置镜系统的应用、改变光学面的偏心或者倾斜角、面与面之间的距离以及所使用的光学材料等。这些更改和变化不脱离本发明的实质范围。

Claims (2)

1.一种紧凑型光栅色散光谱成像仪，其特征在于：包括前置望远物镜系统(1)、狭缝(2)、准直-成像系统(3)、反射光栅(4)及面阵探测器(5)，各部分通过相机整体结构固连；前置望远物镜系统(1)实现对目标成像的功能，将目标成像到狭缝(2)的位置，同时为了实现光瞳匹配，前置望远物镜系统(1)设计成像方远心系统；狭缝(2)为视场光阑，限制了目标成像范围，为了避免与最终面阵探测器(5)位置发生干涉，相对于准直-成像系统(3)离轴设置；准直-成像系统(3)为了与前置望远物镜系统(1)衔接，是一个物方远心系统，一方面要将目标狭缝像的出射光束准直，另一方面又要将光栅色散后的各波长平行光成像到面阵探测器(5)靶面；反射光栅(4)是色散元件，实现对空间目标的光谱分离，为了避免短波高级次衍射光和长波低级次衍射光混叠，其应用谱段范围受到限制，选择光栅负一级衍射光作为成像光束，谱段范围为460～920nm；面阵探测器(5)通过光电效应获取和记录数字信息；目标出射光线经过前置望远物镜系统(1)，成像到其焦面上，形成目标像；狭缝限制了目标像的范围，仅狭缝内光线能够出射进入准直-成像系统，从狭缝(2)像出射光束经过准直-成像系统(3)准直后入射到反射光栅(4)上，经过反射光栅(4)反射分光后，分离的各谱段平行光再次回射到准直-成像系统(3)，第二次经过准直-成像系统(3)最终成像到面阵探测器(5)上，在与狭缝(2)平行方向形成不同谱段的狭缝像，整个面阵探测器(5)对应一行空间目标和若干光谱通道，通过推扫平台的运动，获得目标完整的数据立方体。

2.一种紧凑型光栅色散光谱成像方法，其特征在于实现步骤为：

(1)目标出射光线经过前置望远物镜系统，成像到其焦面上，形成目标像；

(2)狭缝限制了目标像的范围，仅狭缝内光线能够出射进入准直-成像系统，得到准直-成像系统的准直，由于狭缝相对于准直-成像系统离轴设置，使得准直后平行光束倾斜入射反射光栅，此倾斜角度取决与狭缝离轴距离，可以根据实际结构设计需要确定；

(3)倾斜平行光入射反射光栅，经反射光栅反射分光后，不同于一般色散光谱成像仪直接入射独立的成像镜，此时各波长平行光再次返回入射准直-成像系统；为了避免短波高级次衍射光和长波低级次衍射光混叠，其应用谱段范围受到限制，选择光栅负一级衍射光作为成像光束，谱段范围为460～920nm；

(4)准直-成像系统将光栅色散后的各波长平行光成像到面阵探测器上，由于平行光具有倾斜角度，使得与狭缝位置发生分离；

(5)面阵探测器通过光电效应获取和记录目标各波长狭缝像的信息。