CN102889930A - 一种基于曲面棱镜的光谱成像装置 - Google Patents

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聂云峰
周锦松
黄旻
吕群波
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Abstract

本发明公开了一种基于曲面棱镜的光谱成像装置。所述装置包括物平面、一大一小两个反射镜、曲面棱镜和探测器阵列，其中所述物平面上设置有多个狭缝，目标图像的光辐射从物平面上的多个狭缝进入；两个反射镜用于折转光路和成像，所述曲面棱镜用于色散和校正像差，通过两个反射镜的折转使入射光线两次经过曲面棱镜，具体为从多个狭缝通过的出射光经过大反射镜反射后入射到所述曲面棱镜，再经过小反射镜反射后，再次入射到曲面棱镜，并到达大反射镜；经过所述大反射镜反射成像后，最终被所述探测器阵列接收，其中，所述探测器阵列的行接收所述目标图像的空间信息，所述探测器阵列的列接收所述目标图像的多组光谱信息。该光谱成像装置能够在大大提高系统信噪比的同时提高能量利用率，并进一步提高探测器的利用率和空间分辨率。

Description

一种基于曲面棱镜的光谱成像装置
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种基于曲面棱镜的光谱成像装置。
背景技术
光谱成像技术是光谱技术和成像技术有机融合的产物，依据这一原理制作的光谱成像仪器既能对目标成像又可以测量目标的光谱特性，是一种图谱结合的探测手段。光谱成像仪主要有色散型、干涉型、滤光片型、计算层析型和衍射光学元件型等几种类型。其中，色散型光谱成像仪是最早提出并获得实用化的光谱成像仪器，而棱镜色散型又以原理简洁、制作加工简单等优点，获得了广泛的应用。
如图1所示为现有技术中传统棱镜色散型光谱成像仪的结构示意图，图1中包括：前置镜组、准直镜组和成像镜组三组镜头，以及一组用于色散的棱镜组，但该传统色散棱镜需要放置于平行光路中，才能获得良好的图谱质量，具有局限性。
现有技术中还有一种特殊的棱镜色散器件—曲面棱镜，它同时具有棱镜的色散功能和透镜的成像功能，而且可以放置于会聚或发散光路中，能通过加入反射光学元件缩短光路，获得紧凑的结构。但现有的技术方案多是采用单狭缝方式，每次曝光获得的数据包含一维空间目标图像和一维光谱信息，并且光谱维远远小于空间维（10倍以上的差距），而现有相机上常见的CCD或CMOS探测器件的长宽比绝大多数是1:1、3:2或2:1，这就造成了探测器感光面的极大浪费。
发明内容
本发明的目的是提供一种基于曲面棱镜的光谱成像装置，能够在大大提高系统信噪比的同时提高能量利用率，并进一步提高探测器的利用率和空间分辨率。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的，一种基于曲面棱镜的光谱成像装置，所述装置包括物平面、一大一小两个反射镜、曲面棱镜和探测器阵列，其中：
所述物平面上设置有多个狭缝，目标图像的光辐射从物平面上的多个狭缝进入；
两个反射镜用于折转光路和成像，所述曲面棱镜用于色散和校正像差，通过两个反射镜的折转使入射光线两次经过曲面棱镜，具体为：从多个狭缝通过的出射光经过大反射镜反射后入射到所述曲面棱镜，再经过小反射镜反射后，再次入射到曲面棱镜，并到达大反射镜；
经过所述大反射镜反射成像后，最终被所述探测器阵列接收，其中，所述探测器阵列的行接收所述目标图像的空间信息，所述探测器阵列的列接收所述目标图像的多组光谱信息。
所述两个反射镜的曲率中心位置大致相同，均靠近光轴上的某一点。
所述两个反射镜所采用的材料为光学玻璃或光学晶体；或通过在金属表面镀反射膜获得所需要的反射率来实现；
其中，大反射镜制作成一个或由两个小反射镜组合来实现。
所述曲面棱镜的前后通光面都是球面，且所述曲面棱镜所采用的材料为光学玻璃或光学晶体，其折射率n的取值范围为：1<n<2。
所述探测器阵列中的探测器采用常规CCD或者CMOS感光器件，且所述探测器的宽度大于所述物平面上所设置的狭缝个数与光谱色散长度的乘积。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，所述装置包括物平面、一大一小两个反射镜、曲面棱镜和探测器阵列，其中所述物平面上设置有多个狭缝，目标图像的光辐射从物平面上的多个狭缝进入；两个反射镜用于折转光路和成像，所述曲面棱镜用于色散和校正像差，通过两个反射镜的折转使入射光线两次经过曲面棱镜，具体为：从多个狭缝通过的出射光经过大反射镜反射后入射到所述曲面棱镜，再经过小反射镜反射后，再次入射到曲面棱镜，并到达大反射镜；经过所述大反射镜反射成像后，最终被所述探测器阵列接收，其中，所述探测器阵列的行接收所述目标图像的空间信息，所述探测器阵列的列接收所述目标图像的多组光谱信息。该光谱成像装置能够在大大提高系统信噪比的同时提高能量利用率，并进一步提高探测器的利用率和空间分辨率。
附图说明
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。
图1为现有技术中传统棱镜色散型光谱成像仪的结构示意图；
图2为本发明实施例提供的基于曲面棱镜的光谱成像装置的结构示意图；
图3为本发明实施例提供的基于曲面棱镜的光谱成像装置的光路示意图。
具体实施方式
下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。
本发明实施例所述基于曲面棱镜的光谱成像装置通过推扫对同一目标图像的多次探测，能获取同一目标图像的多组图像，通过亚像元拼接，提高图像的空间分辨率和信噪比。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图2所示为本发明实施例提供的基于曲面棱镜的光谱成像装置的结构示意图，所述光谱成像装置包括物平面、一大一小两个反射镜、曲面棱镜和探测器阵列，光路过程如图2中箭头所示，其中：
所述物平面上设置有多个狭缝，目标图像的光辐射从物平面上的多个狭缝进入。
两个反射镜用于折转光路和成像，所述曲面棱镜用于色散和校正像差，通过两个反射镜的折转使入射光线两次经过曲面棱镜，有助于增加色散率，提高光谱分辨率。另外，还可以在靠近像面的地方加入一个离轴校正镜，进一步校正畸变和其他残余像差。上述具体实现过程为：从多个狭缝通过的出射光经过大反射镜反射后入射到所述曲面棱镜，再经过小反射镜反射后，再次入射到曲面棱镜，并到达大反射镜。
经过所述大反射镜反射成像后，最终被所述探测器阵列接收，所述探测器阵列的行接收所述目标图像的空间信息，列接收所述目标图像的多组光谱信息。
在具体实现过程中，两个反射镜可以为球面，也可以是非球面，它们的曲率中心位置大致相同，都靠近光轴上的某一点。两个反射镜所采用的材料为光学玻璃或光学晶体；或通过在金属表面镀反射膜获得所需要的反射率来实现。其中，大反射镜可以制作成一个或由两个小反射镜组合来实现，这样有助于减重、加工和装调。
上述曲面棱镜的前后通光面都是球面，且所述曲面棱镜所采用的材料为光学玻璃或光学晶体，其折射率n的取值范围为：1<n<2。
上述探测器阵列中的探测器采用常规的CCD或者CMOS感光器件来实现，且探测器的尺寸首先满足空间维的需求，而光谱维的色散长度决定了可以设置的狭缝个数，具体应满足的原则是：
1）不同狭缝的通道所获得的光谱图像不能混叠；
2）所述探测器的宽度略大于所述物平面上所设置的狭缝个数与光谱色散长度的乘积。
具体实现中，由于物平面上放置了多个狭缝而非传统设计的单狭缝，它能使目标图像多次经过系统，从而获得目标图像的多组光谱维图像；对这多组光谱维图像进行处理，可以提高信噪比；而由于同一目标图像的不同图像之间存在微小差别，可以进行图像的亚像元分辨率增强，最终达到提高图像空间分辨率的作用。
下面以具体的实例来对本发明实施例所述光谱成像装置的工作过程进行说明，如图3所示为本发明实施例提供的基于曲面棱镜的光谱成像装置的光路示意图，图3中：1、2、3为物平面上的狭缝；4为大反射镜；5为曲面棱镜；6为小反射镜；7、8、9为探测器阵列上的不同面元块，系统具体参数见表1所示。
Figure BDA00002250027900041
表1
该光谱成像装置的具体工作过程为：
目标图像的光辐射从物平面上的狭缝1、2、3处进入，经过大反射镜4反射后入射曲面棱镜5，经过小反射镜6反射后，再次入射曲面棱镜5，并到达大反射镜4，经大反射镜4反射成像后最终被面阵探测器7、8、9接收；面阵探测器7、8、9接收到的是多个狭缝像的光谱维展开，即探测器阵列的行接收目标图像的空间信息，列接收目标图像的多组光谱信息。
综上所述，本发明实施例能够在大大提高系统信噪比的同时提高能量利用率，并进一步提高探测器的利用率和空间分辨率。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (5)

1.一种基于曲面棱镜的光谱成像装置，其特征在于，所述装置包括物平面、一大一小两个反射镜、曲面棱镜和探测器阵列，其中：
所述物平面上设置有多个狭缝，目标图像的光辐射从物平面上的多个狭缝进入；
两个反射镜用于折转光路和成像，所述曲面棱镜用于色散和校正像差，通过两个反射镜的折转使入射光线两次经过曲面棱镜，具体为：从多个狭缝通过的出射光经过大反射镜反射后入射到所述曲面棱镜，再经过小反射镜反射后，再次入射到曲面棱镜，并到达大反射镜；
经过所述大反射镜反射成像后，最终被所述探测器阵列接收，其中，所述探测器阵列的行接收所述目标图像的空间信息，所述探测器阵列的列接收所述目标图像的多组光谱信息。
2.如权利要求1所述基于曲面棱镜的光谱成像装置，其特征在于，所述两个反射镜的曲率中心位置大致相同，均靠近光轴上的某一点。
3.如权利要求1或2所述基于曲面棱镜的光谱成像装置，其特征在于，所述两个反射镜所采用的材料为光学玻璃或光学晶体；或通过在金属表面镀反射膜获得所需要的反射率来实现；
其中，大反射镜制作成一个或由两个小反射镜组合来实现。
4.如权利要求1所述基于曲面棱镜的光谱成像装置，其特征在于，所述曲面棱镜的前后通光面都是球面，且所述曲面棱镜所采用的材料为光学玻璃或光学晶体，其折射率n的取值范围为：1<n<2。
5.如权利要求1所述基于曲面棱镜的光谱成像装置，其特征在于，所述探测器阵列中的探测器采用常规CCD或者CMOS感光器件，且所述探测器的宽度大于所述物平面上所设置的狭缝个数与光谱色散长度的乘积。
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