CN102331299A

CN102331299A - 平像场成像光谱仪的分光成像系统

Info

Publication number: CN102331299A
Application number: CN201110147731A
Authority: CN
Inventors: 沈为民; 薛汝东; 季轶群; 袁颖华
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2011-06-02
Filing date: 2011-06-02
Publication date: 2012-01-25

Abstract

本发明公开了一种平像场成像光谱仪的分光成像系统，特别是一种大相对孔径平场Offner型成像光谱仪的分光成像系统。它包括一块凹面反射镜和一块凸面光栅，为全球面元件，并采用共轴同心结构，它的物面和像面均位于系统的弧矢平场曲线上，通过调整光栅曲率半径可实现大相对孔径和平场成像，系统满足物、像方远心，因此，其像面照度均匀，成像质量良好，适用作机载或星载成像光谱仪光学系统。该系统还具有结构简单，稳定性高，几何像差小，安装与调试容易，易于加工等优点，可大大降低生产成本，适合于批量生产。

Description

平像场成像光谱仪的分光成像系统

技术领域

本发明涉及一种成像光谱仪的分光成像系统，特别涉及一种用于机载或星载的大相对孔径平像场Offner型成像光谱仪的分光成像系统。

背景技术

成像光谱仪将成像技术和光谱技术有机的结合在一起，做到图谱合一，通过获取目标的两维空间信息和一维光谱信息来实现对物体形态和光谱特性的获取，可用来识别物体的类型，鉴别物质成分等。自20世纪70年代成像光谱仪的概念提出以来，其得到了快速的展。在土地资源调查、农业、林业和环境监测等遥感领域有着广泛的应用。

Offner型成像光谱仪，具有结构紧凑、固有像差小等优点，能有效的克服传统的平面和凹面光栅成像光谱仪光能利用率不高的缺点，可获得好的成像质量，实现高的分辨率。该系统一经提出就受到各国的重视，成为研究的热点，并已被成功地用于国外多颗遥感器。

目前，已有的报导中所介绍的Offner型成像光谱仪，如John Fisher、X. Prieto-Blanco等人报导的设计结果，多采用离轴三反射结构，即主镜、光栅、三镜为三块独立的元件，来获得大的相对孔径，该类系统加工和装调较为困难，反射镜微小的倾斜和偏心都会给系统的像质带来严重的影响，且其加工和装调周期较长。该系统在设计时，多基于罗兰圆结构，而当系统满足罗兰圆成像条件时其像面为曲面，而与实际中所采用的平面探测器相矛盾。

因此，研制结构简单、相对口径大、光谱分辨率高、稳定性高、成本低的平场Offner成像光谱仪是十分迫切的，并具有广泛的应用前景的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种结构简单，易于加工及安装调试，稳定性高，成像质量良好的一种平像场成像光谱仪的分光成像系统。

为实现上述发明目的，本发明所采用的技术方案是：一种平像场成像光谱仪的分光成像系统，它基于Offner中继反射系统，包括一块凹面镜和一块凸面光栅，所述的凸面光栅为等间距的直线槽光栅，它与凹面镜共轴同心；该系统的相对孔径F的取值范围为1/3≤F≤1/2；相对于系统的焦距归一化后，凹面镜的曲率半径R₁的取值范围为-0.10≤R₁≤-0.15，凸面光栅的曲率半径R₂的取值范围为-0.05≤R₂≤-0.10；系统相对孔径大，满足物、像方远心。

本发明所述的凹面反射镜和凸面光栅的顶点均位于光轴上；凸面光栅的光栅常数为每毫米20～65线对。

系统的物平面入射狭缝和光谱成像面均位于系统的弧矢平场曲线上；所述的弧矢平场曲线为通过凹面镜和凸面光栅的公共曲率中心且垂直于光轴的直线。

与现有技术相比，本发明的特点在于：光学系统相对孔径大，可实现高的空间和光谱分辨率；具有平场特性，符合平面探测器的要求；采用共轴同心结构，几何像差小，安装与调试容易；系统满足物、像方远心，像面照度均匀，成像质量好；同时，系统采用全球面元件，结构简单，稳定性高，且易于加工，可大大降低生产成本，适合批量生产。

附图说明

图1是本发明实施例提供的一种平像场成像光谱仪的分光成像系统的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的一种平像场成像光谱仪的分光成像系统结构的左视图；

图3是本发明实施例提供的一种平像场成像光谱仪的分光成像系统的光路示意图；

图4是本发明实施例提供的一种平像场成像光谱仪的分光成像系统的光线追迹点列图；

图5是本发明实施例提供的一种平像场成像光谱仪的分光成像系统的网格畸变图；

图6是本发明实施例提供的一种平像场成像光谱仪的分光成像系统的能量集中度曲线图；

图7是本发明实施例提供的一种平像场成像光谱仪的分光成像系统在接收器件表面上的相对辐照度分布曲线图；

图8是本发明实施例提供的一种平像场成像光谱仪的分光成像系统的调制传递函数曲线。

图中： 1、凹面反射镜；2、凸面光栅；3、系统弧矢平场曲线；4、系统的子午聚焦曲线；5、入射狭缝；6、像平面位置；7、凹面镜的罗兰圆；8、凸面光栅的罗兰圆；9、光轴（即对称轴）；10、入射主光线；11、12和13、分别为不同波长的成像光束在像方的主光线，点C为凹面镜和光栅的曲率中心。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方案作进一步的阐述。

本实施例的技术方案是提供一种平像场成像光谱仪的分光成像系统，系统的F数为F/# =2.5，工作波长在1.0μm～2.5μm的短波红外波段。

参见附图1，它是本实施例提供的分光成像系统的结构示意图，系统有入射狭缝5、凹面反射镜1、凸面光栅2和光谱成像面6构成，9是系统的光轴，C是凹面反射镜1和凸面光栅2的公共曲率中心，7、8分别为1和2的罗兰圆，入射狭缝5和光谱成像面6均位于系统的弧矢平像场曲线3上，4为系统的子午聚焦曲线，10是物方主光线。沿光线传播方向，成像光束由入射狭缝5进入系统，经凹面反射镜1反射至凸面光栅2，经其分光后到达凹面反射镜1，不同波长的光谱像由凹面反射镜1聚焦成像在光谱成像面6上。

图2是系统结构的左视图，5和6分别为入射狭缝和光谱成像面，图中可以看出，系统的视场为矩形视场。

图3是本实施例分光成像的光路示意图。入射狭缝5为一个长30mm宽30微米的矩形，位于通过凹面镜1和凸面光栅2的公共曲率中心C点且垂直于光轴的平面内，接收器平面（像平面）6也位于该平面内。

本实施例所涉及的分光成像系统可选用像元大小为30μm×30μm，像素数为1000×256的短波红外HgCdTe探测器；系统的线色散为200nm/mm。

参见图1、2和3，本实施例提供的分光成像系统包括一块凹面镜1和一块直线槽凸面光栅2，它们的有关参数如下：焦距2160mm，凹面镜1的曲率半径为-270mm，凸面光栅的曲率半径为-140mm；相对于镜头归一化时，凹面镜1的曲率半径为R₁=-0.125，凸面光栅的曲率半径R₂=-0.065；入射狭缝5与凹面镜1的间距为270mm，凹面镜1与凸面光栅2的间距为130mm，凹面镜1和像平面6的间距为270mm。光栅常数为35lp/mm。

物方主光线10平行于光轴9，形成物方远心；系统在短波限、中心波长和长波限三个波长处的像方主光线11、12和13均平行于光轴，形成像方远心，像平面6上照度分布均匀。

目标物经入射狭缝5进入分光成像系统，经凹面镜1反射至光栅2，光栅2将不同波长的光分开，再由凹面镜1将不同波长的光成像在像平面6处，在像平面6处放置探测器，即可得到狭缝视场对应的目标物的光谱像，系统成像比例为1:1。若系统沿平台在垂直于入射狭缝5的方向进行扫描，即可得到目标物的两维空间信息和一维光谱信息，

参见附图4，它是本实施例所述的光学系统的光线追迹点列图，即入射狭缝经系统成像后在像平面上的情况。图中的方框为一个探测器像元范围，即30μm×30μm。由图中可以看出，系统各个波长的不同视场处的点列图都能较好的落在一个探测像元内。

参见附图5，它是本实施例所述的光学系统的网格畸变图。图中网格节点为理想像点位置，十字叉表示实际像点位置，光学系统的畸变（实际像点偏离理想像点的百分比）最大值为0.0036％，完全满足要求。

参见附图6，它是本实施例所述的光学系统的能力集中度曲线，可以看出，系统85％以上的能量集中在单个探测器像元范围内。

参见附图7，它是本实施例所述的光学系统在接收器件表面上的相对辐照度分布曲线图，可以看出，像面照度分布十分均匀，边缘照度几乎没有任何下降。

参见附图8，它是本实施例所述的光学系统的调制传递函数曲线，由图可以看出，该光学系统在探测器的奈奎斯特频率（17lp/mm）处的调制传递函数最小值大于0.75，成像质量良好。

实施例二：

本实施例分光成像系统的F数为F/# =3.0,工作波长在短波红外波段为1.0μm～2.5μm。光成像系统的结构参照实施例一。

分光成像系统的其余参数如下：入射狭缝为一个长30mm宽30μm的矩形，光栅常数为52lp/mm。系统焦距1640mm，凹面镜曲率半径为-188mm，光栅曲率半径为-95mm，相对于镜头焦距归一化时曲率半径分别为R₁=-0.115，R₂=-0.058。入射狭缝5与凹面镜1的间隔为188mm，凹面镜1和凸面光栅2的间距为93mm，凹面镜和像平面间距为188mm。

本发明所提供的平像场成像光谱仪的分光成像，工作在短波红外波段，它具有相对孔径大，畸变小，满足物、像方远心，相对照度均匀等特点。该系统采用两块同心球面元件，结构简单、稳定性高、加工装调容易、制造成本低、适合批量生产。

Claims

1. 一种平像场成像光谱仪的分光成像系统，其特征在于：它基于Offner中继反射系统，包括一块凹面镜(1)和一块凸面光栅(2)，所述的凸面光栅为等间距的直线槽光栅，它与凹面镜共轴同心；该系统的相对孔径F的取值范围为1/3≤F≤1/2；相对于系统的焦距归一化后，凹面镜的曲率半径R₁的取值范围为-0.10≤R₁≤-0.15，凸面光栅的曲率半径R₂的取值范围为-0.05≤R₂≤-0.10；系统相对孔径大，满足物、像方远心。

2. 根据权利要求1所述的一种平像场成像光谱仪的分光成像系统，其特征在于：所述的凹面反射镜和凸面光栅的顶点均位于光轴(9)上。

3. 根据权利要求1所述的一种平像场成像光谱仪的分光成像系统，其特征在于：所述的凸面光栅的光栅常数为每毫米20～65线对。

4. 根据权利要求1所述的一种平像场成像光谱仪的分光成像系统，其特征在于：系统的物平面入射狭缝(5)和光谱成像面(6)均位于系统的弧矢平场曲线(3)上；所述的弧矢平场曲线为通过凹面镜和凸面光栅的公共曲率中心且垂直于光轴的直线。