CN102620827B - 光栅成像光谱仪 - Google Patents
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Abstract
光栅成像光谱仪包括：前置接收光学单元；分光成像单元：入射狭缝、平面反射镜、准直-聚焦系统、光栅；和光谱信号处理单元：面阵光电探测器、信号处理系统。入射狭缝位于前置接收光学单元的出射光线的焦点处；前置接收光学单元的出射光线穿过入射狭缝后可到达平面反射镜的反射面上；准直-聚焦系统位于平面反射镜的反射光线上且与光栅同轴；光栅在平面反射镜的反射光线经过准直-聚焦系统准直后的出射光线上；面阵光电探测器位于光栅的衍射光线经过准直-聚焦系统聚焦后的出射光线的焦点处；面阵光电探测器的输出端连接信号处理系统的输入端。本发明提出的光栅成像光谱仪具有结构简单、稳定性高、光谱分辨率高、体积小、价格低且平面成像等优点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光栅成像光谱仪，适用于星载或机载环境中的对地观察，属于分析仪器技术领域。
背景技术
成像光谱仪将成像技术和光谱技术结合在一起，是一种能够获取多维目标信息的探测分析仪器。它通过对目标空间信息和光谱信息的获取，识别物质种类，分析目标的状态。它本身可以获取的目标空间信息是二维的，借助于扫描技术和空间多通道探测技术可以获得三维空间信息。自从成像光谱仪出现之后，其在环境、农业、林业、土地资源、矿产资源监测等遥感领域得到了广泛应用，并逐渐向生化分析、工业生产等领域扩展，具有很高的研究价值。
成像光谱仪一般由接收光学系统、狭缝、准直透镜、衍射元件、会聚镜、探测器及光谱信号的读取、处理电路和分析软件组成，在需要的情况下，还可以增加扫描结构。成像的过程一般是：目标物的辐射信息通过接收光学系统汇聚到狭缝处，经过狭缝的调制到达准直镜，此时信号光变成准平行光，之后按照不同时间顺序到达色散元件，经过色散元件的分光后不同波长的光会沿着不同的方向传播，再经过会聚镜的成像作用将狭缝的像按照不同的波长会聚在探测器的不同位置，最后经过处理电路及相应软件的处理得到目标物的空间信息和光谱信息。
目前的光栅成像光谱仪多为OFFNER型成像光谱仪，此结构具有像差小、结构紧凑等优点，在具体设计时，多采用离轴三反结构，此结构的主镜、光栅、三镜是分开的，能够获得较大的相对孔径，但加工装调都比较困难；此外，OFFNER型成像光谱仪多基于罗兰结构设计，其成像面为曲面，而一般使用的探测器为平面的，这就形成了矛盾。总的来讲，目前已有的成像光谱仪具有成像非平面、体积较大且加工装调困难等缺点。因此研制光谱分辨率较高、稳定性好、体积较小且使用平面探测器的成像光谱仪是十分必要的。
发明内容
本发明的目的是针对目前已有的成像光谱仪存在的不足，提出的一种光栅成像光谱仪。
本发明的目的是通过下述技术方案实现的。
一种光栅成像光谱仪，包括：前置接收光学单元(1)、分光成像单元和光谱信号处理单元。其中，分光成像单元包括入射狭缝(2)、平面反射镜(3)、准直-聚焦系统(4)、光栅(5)；光谱信号处理单元包括面阵光电探测器(6)、信号处理系统(7)。
所述前置接收光学单元(1)的功能是收集目标物的信号光。
所述入射狭缝(2)的功能是准确定位所需要探测的信号光，防止其它光的干扰。
所述平面反射镜(3)的功能是改变光路。
所述准直-聚焦系统(4)的功能是对目标物的信号光起到准直作用，对光栅(5)的衍射光起到聚焦作用。
所述光栅(5)的功能是对准平行光进行分光；所述光栅(5)为闪耀光栅或者阶梯光栅。
所述闪耀光栅或阶梯光栅的倾斜角和刻划线数目可由公式(1)确定：
2dsinθ＝mλ； (1)
其中，d为光栅常数，具体为每毫米刻划线数目的倒数，单位为毫米(mm)；θ为光栅的倾斜角，单位为度(°)；m为光栅的衍射级数；λ为选定的基准波长，单位为毫米(mm)。
所述面阵光电探测器(6)的功能是对目标物进行光谱成像，并将光信号变为电信号。
所述信号处理系统(7)的功能包括：①从面阵光电探测器(6)读取电信号；②将模拟信号转换为数字信号；③对数字信号进行处理，得到目标物的光谱的特征信息和空间位置信息；所述光谱的特征信息包括但不限于：光谱的波长以及强度；所述空间位置信息包括成像区域大小及目标物的空间相对位置。
上述各组成部分的连接关系为：
入射狭缝(2)的一侧是前置接收光学单元(1)，另一侧是平面反射镜(3)；入射狭缝(2)位于前置接收光学单元(1)的出射光线的焦点处并且与前置接收光学单元(1)的主平面平行，同时入射狭缝(2)在准直-聚焦系统(4)的焦平面以及准直-聚焦系统(4)之间；平面反射镜(3)与前置接收光学单元(1)的主平面不平行且前置接收光学单元(1)的出射光线穿过入射狭缝(2)后可到达平面反射镜(3)的反射面上，同时平面反射镜(3)不在准直-聚焦系统(4)的轴线上；准直-聚焦系统(4)位于平面反射镜(3)的反射光线上；光栅(5)位于平面反射镜(3)的反射光线经过准直-聚焦系统(4)准直后的出射光线上；准直-聚焦系统(4)与光栅(5)同轴；面阵光电探测器(6)位于光栅(5)的出射光线经过准直-聚焦系统(4)聚焦后的出射光线的焦点处；面阵光电探测器(6)的输出端连接信号处理系统(7)的输入端。
所述光栅成像光谱仪对目标物进行光谱成像的过程为：
第1步：目标物的信号光通过前置接收光学单元(1)到达入射狭缝(2)，穿过入射狭缝(2)后到达平面反射镜(3)；
第2步：目标物的信号光经过平面反射镜(3)的反射后，到达准直-聚焦系统(4)，经过准直-聚焦系统(4)的准直作用后，入射光变成准平行光；
第3步：准平行光到达光栅(5)，经过衍射分光后到达准直-聚焦系统(4)；
第4步：经过准直-聚焦系统(4)的聚焦作用后，变成汇聚光，到达面阵光电探测器(6)；
第5步：面阵光电探测器(6)将光信号变为电信号，发送到信号处理系统(7)；
第6步：信号处理系统(7)将接收到的电信号从模拟信号转换为数字信号；然后对数字信号进行处理，得到目标物的光谱特征信息和空间位置信息。
有益效果
本发明提出的光栅成像光谱仪与目前已有的成像光谱仪相比较具有结构简单、稳定性高、光谱分辨率高、体积相对较小、价格较低且平面成像等优点。
附图说明
图1为本发明具体实施例中的光栅成像光谱仪的结构示意图；
其中：1-前置接收光学单元；2-入射狭缝；3-平面反射镜；4-准直-聚焦系统；5-光栅；6-面阵光电探测器；7-信号处理系统。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，对本发明做进一步的详细描述。
一种光栅成像光谱仪，如图1所示，包括：前置接收光学单元1、分光成像单元和光谱信号处理单元。其中，分光成像单元包括入射狭缝2、平面反射镜3、准直-聚焦系统4、光栅5；光谱信号处理单元包括面阵光电探测器6、信号处理系统7。
所述前置接收光学单元1的功能是收集目标物的信号光。
所述入射狭缝2的功能是准确定位所需要探测的信号光，防止其它光的干扰；入射狭缝可采用钻孔、刻蚀、切割等方法制作。
所述平面反射镜3的功能是改变光路。
所述准直-聚焦系统4的功能是对目标物的信号光起到准直作用，对光栅5的衍射光起到聚焦作用。本发明将一般光谱仪中的准直系统和聚焦系统由同一套光学系来替代，可较大程度的减小光谱仪的体积。
所述光栅5的功能是对准平行光进行分光；所述光栅5为闪耀光栅。
所述闪耀光栅或阶梯光栅的倾斜角和刻划线数目可由公式(1)确定：
闪耀光栅的倾斜角θ为26.7度；光栅常数d为1/1200mm；光栅的衍射级数m为1；基准波长λ为750×10-6mm。
所述面阵光电探测器6的功能是对目标物进行光谱成像，并将光信号变为电信号；面阵光电探测器6选用CCD。
所述信号处理系统7的功能包括：①从面阵光电探测器6读取电信号；②将模拟信号转换为数字信号；③对数字信号进行处理，得到目标物的光谱的特征信息和空间位置信息；所述光谱的特征信息包括但不限于：光谱的波长以及强度；所述空间位置信息包括成像区域大小及目标物的空间相对位置。
上述各组成部分的连接关系为：
入射狭缝2的一侧是前置接收光学单元1，另一侧是平面反射镜3；入射狭缝2位于前置接收光学单元1的出射光线的焦点处并且与前置接收光学单元1的主平面平行，同时入射狭缝2在准直-聚焦系统4的焦平面以及准直-聚焦系统4之间；平面反射镜3与前置接收光学单元1的主平面不平行且前置接收光学单元1的出射光线穿过入射狭缝2后可到达平面反射镜3的反射面上，同时平面反射镜3不在准直-聚焦系统4的轴线上；准直-聚焦系统4位于平面反射镜3的反射光线上；光栅5位于平面反射镜3的反射光线经过准直-聚焦系统4准直后的出射光线上；准直-聚焦系统4与光栅5同轴；面阵光电探测器6位于光栅5的出射光线经过准直-聚焦系统4聚焦后的出射光线的焦点处；面阵光电探测器6的输出端连接信号处理系统7的输入端。
所述光栅成像光谱仪对目标物进行光谱成像的过程为：
第1步：目标物的信号光通过前置接收光学单元1到达入射狭缝2，穿过入射狭缝2后到达平面反射镜3；
第2步：目标物的信号光经过平面反射镜3的反射后，到达准直-聚焦系统4，经过准直-聚焦系统4的准直作用后，入射光变成准平行光；
第3步：准平行光到达光栅5，经过衍射分光后到达准直-聚焦系统4；
第4步：经过准直-聚焦系统4的聚焦作用后，变成汇聚光，到达面阵光电探测器6；
第5步：面阵光电探测器6将光信号变为电信号，发送到信号处理系统7；
第6步：信号处理系统7将接收到的电信号从模拟信号转换为数字信号；然后对数字信号进行处理，得到目标物的光谱特征信息和空间位置信息。
以上结合具体实施例对本发明的技术方案作了说明，但这些说明不能被理解为限制了本发明的范围，本发明的保护范围由随附的权利要求书限定，任何在本发明权利要求基础上的改动都是本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种光栅成像光谱仪，其特征在于：包括：前置接收光学单元（1）、分光成像单元和光谱信号处理单元；其中，分光成像单元包括入射狭缝（2）、平面反射镜（3）、准直-聚焦系统（4）、光栅（5）；光谱信号处理单元包括面阵光电探测器（6）、信号处理系统（7）；
所述前置接收光学单元（1）的功能是收集目标物的信号光；
所述入射狭缝（2）的功能是准确定位所需要探测的信号光，防止其它光的干扰；
所述平面反射镜（3）的功能是改变光路；
所述准直-聚焦系统（4）的功能是对目标物的信号光起到准直作用，对光栅（5）的衍射光起到聚焦作用；
所述光栅（5）为闪耀光栅或者阶梯光栅，其功能是对准平行光进行分光；
所述面阵光电探测器（6）的功能是对目标物进行光谱成像，并将光信号变为电信号；
所述信号处理系统（7）的功能包括：①从面阵光电探测器（6）读取电信号；②将模拟信号转换为数字信号；③对数字信号进行处理，得到目标物的光谱的特征信息和空间位置信息；所述光谱的特征信息包括但不限于：光谱的波长以及强度；所述空间位置信息包括成像区域大小及目标物的空间相对位置；
上述各组成部分的连接关系为：
入射狭缝（2）的一侧是前置接收光学单元（1），另一侧是平面反射镜（3）；入射狭缝（2）位于前置接收光学单元（1）的出射光线的焦点处并且与前置接收光学单元（1）的主平面平行，同时入射狭缝（2）在准直-聚焦系统（4）的焦平面以及准直-聚焦系统（4）之间；平面反射镜（3）与前置接收光学单元（1）的主平面不平行且前置接收光学单元（1）的出射光线穿过入射狭缝（2）后可到达平面反射镜（3）的反射面上，同时平面反射镜（3）不在准直-聚焦系统（4）的轴线上；准直-聚焦系统（4）位于平面反射镜（3）的反射光线上；光栅（5）位于平面反射镜（3）的反射光线经过准直-聚焦系统（4）准直后的出射光线上；准直-聚焦系统（4）与光栅（5）同轴；面阵光电探测器（6）位于光栅（5）的出射光线经过准直-聚焦系统（4）聚焦后的出射光线的焦点处；面阵光电探测器（6）的输出端连接信号处理系统（7）的输入端。
2.如权利要求1所述的一种光栅成像光谱仪，其特征在于：所述光栅成像光谱仪对目标物进行光谱成像的过程包括第1步至第6步，具体为：
第1步：目标物的信号光通过前置接收光学单元（1）到达入射狭缝（2），穿过入射狭缝（2）后到达平面反射镜（3）；
第2步：目标物的信号光经过平面反射镜（3）的反射后，到达准直-聚焦系统（4），经过准直-聚焦系统（4）的准直作用后，入射光变成准平行光；
第3步：准平行光到达光栅（5），经过衍射分光后到达准直-聚焦系统（4）；
第4步：经过准直-聚焦系统（4）的聚焦作用后，变成汇聚光，到达面阵光电探测器（6）；
第5步：面阵光电探测器（6）将光信号变为电信号，发送到信号处理系统（7）；
第6步：信号处理系统（7）将接收到的电信号从模拟信号转换为数字信号；然后对数字信号进行处理，得到目标物的光谱特征信息和空间位置信息。
3.如权利要求1或2所述的一种光栅成像光谱仪，其特征在于：所述闪耀光栅或阶梯光栅的倾斜角和刻划线数目由公式（1）确定：
2dsinθ=mλ； （1）
其中，d为光栅常数，具体为每毫米刻划线数目的倒数，单位为毫米；θ为光栅的倾斜角，单位为度；m为光栅的衍射级数；λ为选定的基准波长，单位为毫米。
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