CN101975610B

CN101975610B - 一种扫描成像光谱仪光路结构

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Publication number: CN101975610B
Application number: CN2010102716215A
Authority: CN
Inventors: 唐义; 吴雁; 刘健鹏; 倪国强; 张止戈
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2010-09-03
Filing date: 2010-09-03
Publication date: 2012-02-15
Anticipated expiration: 2030-09-03
Also published as: CN101975610A

Abstract

一种扫描成像光谱仪光路结构，包括扫描反射镜(1)，对来自目标的入射光线进行反射；光阑(2)，选择一定视场角内的光进入光谱仪；望远物镜(3)，将通过光阑的光聚焦至狭缝(4)；准直物镜(5)，将通过狭缝的光反射到光栅(6)上；光栅(6)，进行分光；聚焦物镜(7)，将分光后的光聚焦至探测器(8)的光敏面处进行分光谱成像。经过扫描反射镜(1)在光谱维的扫描可以获得二维空间的光谱数据。光谱仪采用全反射式光学元件，所有反射元件均镀高反射率膜。该结构特点在于望远成像光路与分光成像光路空间共享，在不增大系统体积的基础上，减小了光学元件之间的离轴角，极大的提高了光谱仪的光谱分辨力和成像分辨力。

Description

一种扫描成像光谱仪光路结构

技术领域

本发明涉及光谱仪，尤其涉及扫描成像光谱仪的光路结构。

背景技术

成像光谱技术起源于上世纪70年代初期的多光谱遥感技术，并随着对地观测应用的需要而发展，是综合了成像技术和光谱技术的新兴领域。成像器获取目标的影像信息，追求高清晰度并研究其空间特性；光谱仪则把目标的辐射分离成不同波长的光谱辐射，追求高光谱分辨力，从而对目标进行测量和分析。这两种技术融合的结晶——成像光谱仪能够获取待测目标特定波段的高光谱图像，具有图谱合一的优势。

色散型成像光谱仪一般使用光栅作为分光元件，全反射式的色散型成像光谱仪光路结构具有光谱分辨力高、波段范围宽、可靠性好等优点。但是光路非遮挡的要求决定了全反射式的色散型光谱仪属于离轴光学系统，如图1所示为传统的交叉的切尔尼-特纳型光谱仪光路结构。这类结构的像差较大，无法实现较高的光谱分辨力和成像分辨力。

发明内容

本发明涉及一种扫描成像光谱仪光路结构，包括扫描反射镜，对来自目标的入射光线进行反射，并进行一维成像扫描；

光阑，用于接收扫描反射镜的反射光，并选择一定视场角范围内的光进入光谱仪；

望远物镜，将来自光阑的光聚焦到狭缝上，实现对待测目标的一次成像；

狭缝，限制进入光谱仪分光系统的光束大小，其宽度决定光谱仪的光谱分辨力，其高度决定光谱仪的成像维视场角，即单幅光谱图像的成像范围；

准直物镜，将通过狭缝的光反射到光栅上；

光栅，用来进行分光；

聚焦物镜，将分光后的光聚焦至探测器的光敏面处进行分光光谱成像；

探测器，二维探测器可以同时接收包含一维光谱信息和一维空间信息的光谱图像，通过对光谱维的扫描可以获得二维空间的光谱数据，经过光谱重建最终得到待测目标的高光谱图像。

其中，光学系统中的各个光学元件除光阑和狭缝外均采用全反射式光学元件，所有反射元件均镀高反射率膜。

其中，光谱仪通光孔径优选10～150mm；光谱维瞬时视场角优选0.01°～2.0°；扫描视场角在10°～160°范围内。

其中，望远物镜可以是球面反射镜或者离轴抛物面反射镜。

其中，准直物镜和聚焦物镜可以是球面反射镜或者超环面反射镜。

为了解决传统全反射式的色散型光谱仪成像分辨力不高的问题，对光谱仪的光路结构进行两处创新：

其一是在保证各光学元件空间位置互不重叠且不增加光谱仪体积的基础上，打破了原有的成像光谱仪望远成像光路与分光成像光路各自独立的结构模式，使望远成像光路与分光成像光路在空间上相互交叠，增大扫描反射镜与望远物镜、准直物镜与光栅之间的距离，减小了望远物镜和准直物镜的离轴角，从而减小了整个光学系统的像差；

其二是使准直物镜与狭缝之间距离不等于准直物镜的焦距，将该距离参数作为优化参量，即经过准直物镜准直后的光束不是平行光，而是带有一定发散角或者会聚角的非平行光，这种设计使得整个光学系统具有更多的优化变量。

与相同体积、使用相同参数光学元件的传统全反射式的色散型光谱仪光路结构相比，这种光路结构可以大大提高光谱仪的光谱分辨力和成像分辨力。

附图说明

图1所示为传统的成像光谱仪的光路结构示意图；

图2所示为根据本发明的成像光谱仪的光路结构示意图。

(附图中各部件的尺寸和距离等并没有严格按照比例画出)。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。图2所示为根据本发明的实施方式的扫描成像光谱仪光路结构示意图。该光谱仪的光学系统包括a)扫描反射镜1，b)光阑2，c)望远物镜3，d)狭缝4，e)准直物镜5，f)平面光栅6，g)聚焦物镜7，h)探测器8。

被扫描反射镜1反射的入射光线经光阑2后由望远物镜3反射聚焦至狭缝4，然后经由准直物镜5反射至平面光栅6上进行分光后由聚焦物镜7聚焦至探测器8的光敏面上成像。

由图1可以看出，传统的交叉的切尔尼-特纳型光路与前置望远物镜是分离的，光谱仪部分与望远物镜通过狭缝相连接。因此其特点是结构简单容易理解，杂散光较少并且易于装调。但是这种简单的结构限制了成像光谱仪参数的变化，也就限制了进一步减小像差的可能。本发明打破了这种光谱仪与前置望远物镜分离的限制，对光谱仪与前置望远物镜进行整体优化。优化思想如下：

通过像差理论分析可知，切尔尼-特纳型光谱仪的主要像差是像散，而像散极大的阻碍了成像光谱仪成像分辨力的提高。因此消除像散是优化传统的交叉的切尔尼-特纳型光路的首要像差。而对于切尔尼-特纳型光路，其像散是由于光路中光学元件的离轴角造成的，离轴角越大像散就越大，因此减小离轴角是减小成像光谱仪像散的重要手段。另外，图1中12所代表的光阑是筒状的消杂光光阑，其作用主要是对经扫描平面镜反射后进入成像光谱仪的光束的视场进行选择。因此，筒状消杂光光阑越长，对视场的选择就越精细。

鉴于以上能够提高成像光谱仪性能的两种方法，本发明对传统的交叉的切尔尼-特纳型光路的具体调整方法是增大各个光学元件之间的距离。在保证扫描反射镜空间位置不与其他元件重叠基础上，扫描反射镜与望远物镜之间的距离增大，减小了望远物镜的离轴角，离轴角可由典型交叉的切尔尼-特纳型光路30°左右减小至几度量级；同时由于准直物镜位于平面光栅远端，增大了准直物镜与光栅之间的距离，使得准直物镜在与其他光学元件空间位置互不重叠的基础上进一步减小离轴角减小至3.9°。由于增大了扫描反射镜与望远物镜之间和准直物镜与光栅之间的距离，使得成像光谱仪的前置望远物镜与光谱仪部分不是分离的，而是放置在一起。这种调整在不增大光学系统体积的前提下，极大的减小了各个光学元件之间的离轴角，从而减小了整个光学系统的像差，同时将消杂光的筒状光阑的长度增大为原来的2倍以上，提高消杂光光阑对视场选择的精度。此外，当光栅的入射光束不平行时也会产生像差，这样可以利用射入光栅的非平行光产生的像差来抵消成像光谱仪的剩余像差。因此，将准直物镜与狭缝之间距离参数作为可变参量进行优化，得到一束具有一定发散或汇聚角的非平行光射入光栅(交叉的切尔尼-特纳型光路为平行光射入光栅)。最终通过优化可得到综合像差最小的成像光谱仪，其结构如图2。这种设计使得整个光学系统具有更多的光学设计优化变量，经过综合优化，使光谱仪的综合性能指标进一步提高。

本实施方案中的反射镜和光栅均为反射式光学元件，反射面镀高反射率膜，并且反射镜面型为平面或球面，未使用非球面镜。光阑2起到消除光谱仪视场角之外杂散光的作用，狭缝4则限制了进入分光系统的光束的大小，从而决定了光谱仪的光谱分辨力和成像分辨力。

下面对本实施方式的光谱仪中的各光学元件进行详细说明。

a)扫描反射镜1

扫描反射镜1使用平面反射镜，其作用是对来自目标的入射光线进行反射，并且在光谱维方向上进行一维空间范围的线性扫描，使垂直狭缝方向(即光谱维方向)的待测目标逐列的进入狭缝，经过分光系统完成分光和成像功能。对目标进行全视场扫描后形成光谱一图像数据立方体，进行光谱重建后就可以获得整个待测目标的高光谱图像。

b)光阑2

光阑2的作用是限制进入光谱仪光束的孔径和视场角。使用轴对称结构的一级或多级光阑可以控制进入光谱仪光束的方向，消除视场角外的杂散光。扫描成像光谱仪的光阑需要对杂散光具有很低的反射率，通过氧化发黑等方法可以减小光阑表面的反射率。

c)望远物镜3

望远物镜3的作用是将待测目标成像在光谱仪的入射狭缝4上，实现了光能的会聚和一次成像。由于光路非遮挡的要求，望远物镜有一定离轴角。一般使用球面反射镜或者离轴抛物面反射镜作为望远物镜，其中离轴抛物面反射镜有着更小的像差。

d)狭缝4

狭缝4的作用是限制进入光谱仪分光系统的光束大小，根据成像光谱仪原理，其宽度决定光谱仪的光谱分辨力，其高度决定光谱仪的成像维视场角，即单幅光谱图像的成像范围。

e)准直物镜5

准直物镜5的主要作用是将通过入射狭缝进入光谱仪分光系统的光束反射到平面光栅6上。其面型可采用球面反射镜或者超环面反射镜，其中，超环面反射镜有着更小的像差。

本实施方式中，经过准直物镜的光束可以是平行光、发散光或者会聚光。

f)平面光栅6

平面光栅作为色散型光谱仪的分光元件，是整个光谱仪的核心元件。根据衍射光栅分光原理，不同波长的入射光反射角不同，从而实现光谱的色散。

g)聚焦物镜7

聚焦物镜7的作用是将经过光栅6分光的辐射聚焦到探测器的光敏面上，从而实现不同波长辐射的分光谱成像。其面型可采用球面反射镜或者超环面反射镜，其中，超环面反射镜有着更小的像差。

h)探测器8

使用二维阵列探测器可以同时接收包含一维光谱信息和一维空间信息的光谱图像，通过对光谱维的扫描可以获得二维空间的光谱数据立方体，经过光谱重建最终得到待测目标的高光谱图像。

根据本实施方式的成像光谱仪一个实施例如下，系统总体参数：

1)波段范围：200nm～1000nm；

2)光栅刻线数：1200lp/mm；

3)光谱分辨力：优于1.0nm；

4)瞬时视场：0.1°

5)焦距：200mm；

6)成像分辨力：3lp/mm；

光学系统中各光学元件的具体光学参数如表1所示。表格中“面型”表示各个面的名称；“曲率半径”为各个光学曲面的半径大小；“到下面的距离”为本光学面到下一个光学面的距离；“通光孔径”表示该光学元件的半口径大小；离轴角表示该面与前一面之间的旋转角。长度的正负以从左向右为正，反之为负；角度的正负以沿成像方向(即弧矢方向)顺时针旋转为正，反之为负。

表1扫描成像光谱仪光路结构参数

面型	曲率半径(mm)	到下面距离(mm)	通光孔径(mm)	离轴角(°)
					物面	∞	∞	∞	0
扫描镜	∞	-450.00	20.07	-7.5
					望远物镜	500	249.00	23.48	4.4
狭缝	∞	220.42	5.33	0
					准直物镜	-500	-430.00	18.94	-3.9
衍射光栅	∞	140.00	29.88	-25
					聚焦物镜	-385.5	-212.00	35.01	-8.12
像面	∞	0	9.91	0

本说明书中所述的只是本发明的一种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims

1.一种扫描成像光谱仪光路结构，包括：

扫描反射镜，对来自目标的入射光线进行反射，并进行一维成像扫描；

望远物镜，将来自光阑的光聚焦到狭缝上，实现一次成像；

准直物镜，将通过狭缝的光反射到光栅上；

光栅，进行分光；

探测器，使用二维阵列探测器，采集光谱图像数据。

2.根据权利要求1所述的光谱仪光路结构，其特征在于经过准直物镜准直后的光束是平行光、发散光或者会聚光。

3.根据权利要求1所述的光谱仪光路结构，其特征在于，光学系统中的各个光学元件除光阑和狭缝外均采用全反射式光学元件，所有反射元件均镀高反射率膜。

4.根据权利要求2所述的光谱仪光路结构，其特征在于，光谱仪通光孔径优选10～150mm；光谱维瞬时视场角优选0.01°～2.0°；扫描视场角在10°～160°范围内。

5.根据权利要求3所述的光谱仪光路结构，其特征在于，望远物镜是球面反射镜或者离轴抛物面反射镜。

6.根据权利要求3所述的光谱仪光路结构，其特征在于，准直物镜和聚焦物镜是球面反射镜或者超环面反射镜。