CN104034420A - 一种大视场凝视式光谱成像系统及其成像方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种大视场凝视式光谱成像系统及其成像方法。它的前置物镜和分光成像系统分别采用折射和反/衍射混合的光学结构；前置物镜采用分层次和分孔径相结合，先获取超大视场内具有均匀成像性能的两维中间像，再经多孔径分视场和进一步精细校正像差后，将得到的多视场、高性能、全波段的空间像作为后续分光成像系统的目标物，经分光成像系统色散分光和聚焦成像后，各孔径通道得到对应视场内的光谱图像，经融合拼接，获得全视场的光谱图像。本发明解决了采用传统的推扫方式获取光谱像而产生的时间不一致的问题，具有视场大、结构紧凑、光谱像质量好、集光本领强、光谱分辨率高等优点，适用于航空、航天高光谱遥感成像。

Description

一种大视场凝视式光谱成像系统及其成像方法

技术领域

本发明涉及一种用于快速获取大视场范围内高性能光谱图像的凝视式光谱成像系统及其成像方法，特别涉及一种采用多层分孔径结构的、折射和反/衍混合相结合的高分辨率光谱成像系统及其成像方法。

背景技术

光谱成像技术在获取目标物两维空间像的同时，还可获得其第三维的光谱信息，可更加深入、全面地探究事物的本质，是当前世界各国正大力发展的空间探索和对地观测的重要手段之一，可用于完成各种不同的任务，如遥感成像、物体分类识别、目标探测、工业生产过程监测与控制、食品安全与检测、医疗诊断、土地资源调查、环境和灾害监测等，要在大视场范围内同时获取高分辨率的光谱图像，是该类成像系统的一大难点。

采用衍射光栅分光的光谱成像仪，因其具有均匀色散的特性而引起光学工作者的兴趣并得到广泛研究。传统的采用平面和凹面衍射光栅的光谱成像系统，受像差限制，导致光谱分辨率低；基于凸面光栅设计的该类系统，采用合理的光学结构，可获得强的像差平衡能力，进而获得好的空间像和高的光谱分辨率，但其带有入射狭缝、瞬时视场受到限制，须通过推扫成像的办法来实现大的成像视场，获取的光谱图像具有时域不一致性，不能准确反映同一时刻全视场内的真实情况。因此，采用传统的或现有的光学成像系统，很难获得同时具有色散均匀、光谱分辨率高和视场大的光谱成像系统。

发明内容

本发明所要解决的问题是克服现有技术存在的不足，提供一种具有视场大、光谱分辨率高、成像性能好和结构简单紧凑，可用于快速获取大视场内高性能光谱图像的凝视式光谱成像系统及其成像方法。

实现本发明目的的技术方案是：提供一种大视场凝视式光谱成像系统，它包括大视场的前置物镜、多孔径的分视场分光成像系统和CCD探测器；所述大视场的前置物镜，沿光线入射方向，依次为一个同心透镜，多个中间像面、小视场补偿镜阵列和前置物镜的像；所述的同心透镜包括两片或四片胶合的对称球面透镜，同心透镜以各球面透镜的球心为中心，呈全对称分布；所述的小视场补偿镜阵列的单元包括两组双胶合和一片单透镜。

一种大视场凝视式光谱成像系统，它包括大视场的前置物镜、多个孔径的分视场分光成像系统和CCD探测器；所述大视场的前置物镜，沿光线入射方向，依次为一个同心透镜、中间像面、多孔径的小视场补偿镜和产生的多个前置物镜的像；所述的同心透镜包括两片或四片胶合的对称球面透镜，同心透镜以各球面透镜的球心为中心，呈全对称分布；所述的小视场补偿镜阵列的一个单元，包括两组双胶合和一片单透镜。

本发明的一个优选方案是：所述的同心透镜，沿光线入射方向，依次为第一球面负透镜、第一球面正透镜、第二球面正透镜和第二球面负透镜；所述的小视场补偿镜阵列的一个单元，沿光线入射方向，依次为补偿镜第一球面负透镜、补偿镜第一球面正透镜、补偿镜第二球面正透镜、补偿镜第二球面负透镜和补偿镜第三球面正透镜。

所述的第一球面负透镜、第一球面正透镜、第二球面正透镜和第二球面负透镜、补偿镜第一球面负透镜、补偿镜第一球面正透镜、补偿镜第二球面正透镜、补偿镜第二球面负透镜和补偿镜第三球面正透镜，它们相对于大视场的前置物镜的焦距的归一化值依次对应为f ′ ₁₁、f ′ ₁₂、f ′ ₁₃、f ′ ₁₄、f ′ ₃₁、f ′ ₃₂、f ′ ₃₃、f ′ ₃₄、和f ′ ₃₅，分别满足条件：-2.20≤f ′ ₁₁≤-1.90、0.95≤f ′ ₁₂≤1.05、0.75≤f ′ ₁₃≤0.95、-2.05≤f ′ ₁₄≤-1.65、-0.50≤f ′ ₃₁≤-0.25、0.15≤f ′ ₃₂≤0.20、0.05≤f ′ ₃₃≤0.15、-0.35≤f ′ ₃₄≤-0.10、0.20≤f ′ ₃₅≤0.30；它们所采用的材料折射率依次分别对应为n ₁₁、n ₁₂、n ₁₃、n ₁₄、n ₃₁、n ₃₂、n ₃₃、n ₃₄、n ₃₅，分别满足条件：1.65≤n ₁₁≤1.80、1.45≤n ₁₂≤1.55、1.40≤n ₁₃≤1.53、1.65≤n ₁₄≤1.75、1.73≤n ₃₁≤1.85、1.45≤n ₃₂≤1.60、1.45≤n ₃₃≤1.60、1.45≤n ₃₄≤1.60、1.45≤n ₃₅≤1.60。

本发明所述前置物镜的焦距f ₁ 为38mm≤f ₁ ≤45mm，分光成像系统的焦距f ₂ 为105mm≤f ₂ ≤115mm。所述的光谱成像系统的全视场ω为0°≤ω≤100°。它的光学筒长L为185mm≤L≤200mm。

本发明技术方案还包括一种大视场凝视式光谱成像系统的成像方法，包括如下步骤：前置物镜获取一个大视场目标物的带有均匀像差的中间全色像，通过多孔径分视场，得到多个小视场全色像；以各小视场全色像为后续分光成像系统的目标物,经分光成像系统色散和中继成像后,在探测器上获得该分视场的不同波长的光谱图像，再通过对相邻孔径小视场光谱图像进行拼接处理，得到大视场范围的光谱图像。

本发明提供的用于快速获取大视场高分辨率光谱图像的凝视式光谱成像系统，由于采用了多层次和分孔径结构的光学成像方法，可同时获取很大视场范围内的高质量、高分辨率光谱图像。本发明提供的多层次和分孔径结构光谱成像系统，前置物镜采用大视场同心球对称透镜和小视场分孔径补偿透镜组，同心球对称透镜在曲面上获得一个只有球差和垂轴色差的大视场中间像，中间像各视场像差相同，因此，利用相同的分孔径补偿透镜组对中间像进行像差校正，补偿透镜组采用两组双胶合球面镜和一片靠近像面的场校正透镜，可很好地平衡中间曲面像的球差，通过对双胶合透镜光学玻璃材料的匹配和优化选择，进一步消色差，可获得具有最高衍射极限的成像性能，像面附近增加的场校正镜，又可用来很好的校正前置物镜分孔径视场范围内的场曲，为后续分光成像系统提供多孔径分视场和高性能的全色空间像。分光成像系统，与前置物镜相匹配，采用多孔径结构，各孔径采用基于凸面光栅分光的反/衍混合式光学系统，具有色散均匀和固有像差小的优点，它以前置物镜获取的多孔径分视场全色空间像为目标物，进行衍射分光和中继成像，获取相应的光谱图像，其结构简单紧凑、相对孔径大、光谱分辨率高。这种新型的多层分孔径结构的光谱成像系统，无须推扫成像，可一次性获取大视场范围的光谱图像，具有很强的实时性。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1、本发明采用多层分孔径结构的凝视式光谱成像系统，由多层分孔径前置物镜和与之匹配的分孔径分光成像系统构成，具有视场大、分辨率高、成像质量好、结构紧凑、和稳定性好等诸多优点。

2、本发明提供的凝视型光谱成像系统，各光学元件全部采用球面，加工实施容易、制造成本低，适于批量生产。

3、本发明提供的光谱成像系统的视场ω为0°≤ω≤100°，不需要经过推扫，可在同一时刻获取全视场范围内的光谱图像，实时性强。

附图说明

图1是本发明实施例提供的大视场凝视式光谱成像系统的光学系统结构示意图；

图2是本发明实施例提供的大视场的前置物镜中的同心球对称透镜和补偿透镜阵列的一个单元的单孔径通道的光学结构示意图；

图3是本发明实施例提供的多孔径分视场的分光成像系统中的一个分光成像单元的光学结构示意图；

图4是本发明实施例提供的大视场凝视型光谱成像系统的前置物镜点列图；

图5是本发明实施例提供的大视场凝视型光谱成像系统的前置物镜光学传递函数曲线；

图6是本发明实施例提供的大视场凝视型光谱成像系统的分光成像系统光学传递函数曲线；

图7是本发明实施例提供的大视场凝视型光谱成像系统的畸变曲线。

图中：1、前置物镜的同心球对称透镜；11、同心球对称透镜的形球面负透镜；12、同心球对称透镜的球面正透镜；13、同心球对称透镜的球面正透镜；14、同心球对称透镜的球面负透镜；2、前置物镜的曲面中间像；3、补偿镜阵列单元；31、前置物镜的补偿镜组的球面负透镜；32、前置物镜的补偿镜组的球面正透镜；33、前置物镜的补偿镜组的球面正透镜；34、前置物镜的补偿镜组的球面负透镜；35、前置物镜的补偿镜组的场校正镜；4、前置物镜的像，即也为分光成像系统的物；5、分光成像系统单元；51、分光成像系统的平面折叠反射镜；52、分光成像系统的凹面反射镜；53、分光成像系统的凸面衍射光栅；54、分光成像系统的凹面反射镜；55、分光成像系统的平面折叠反射镜；6、像面（探测器焦平面）。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明的实施方案作进一步的具体阐述。

实施例1：

本实施例提供一种大视场、高分辨率、多层分孔径结构的凝视式光谱成像系统，工作于可见光波段0.48μm～0.65μm，它的全视场角100°，分光成像系统F数为F/#=2.2。

参见附图1，它是本实施例提供的大视场凝视式光谱成像系统的光学系统结构示意图；多层分孔径的前置物镜主要由一个同心球对称透镜1和64个补偿镜单元3构成补偿镜阵列，同心球对称镜头采用全胶合设计，补偿镜阵列3的一个单元由两组双胶合和一片单透镜构成，沿光线入射方向，依次为前置物镜中同心球对称镜的球面负透镜11、球面正透镜12、球面正透镜13、球面负透镜14、曲面中间像2、补偿镜组的球面负透镜31、球面正透镜32、球面正透镜33、球面负透镜34、场校正镜35和像面4（也即分光成像系统的物面）、单个的分光成像系统单元5的平面折叠反射镜51、分光成像系统的凹面反射镜52、分光成像系统的凸面衍射光栅53、分光成像系统的凹面反射镜54、分光成像系统的平面折叠反射镜55和CCD探测器的焦平面6。前置物镜将获得的消像差的全色像精确成像至分光成像系统的入射物面处，经分光成像系统衍射分光和中继成像后，到达探测器的焦平面上。

本实施例提供的多层分孔径光谱成像系统中，对应各光学元件的相关参数如下：前置物镜单孔径系统和分光成像系统焦距分别为40mm和110mm，沿光线方向，前置物镜球面负透镜11、球面正透镜12、球面正透镜13、球面负透镜14、球面负透镜31、球面正透镜32、球面正透镜33、球面负透镜34、场校正镜35的曲率半径依次分别为33.17mm、16.91mm、560mm、-14.99mm、-30.58mm、6.53mm、3.11mm、25.39mm、80.32mm、-2.66mm、-6.54mm、2.51mm和2.88mm；各透镜厚度依次为15.24mm、14.36mm、16.32mm、16.11mm、2.97mm、3.01mm、2.14mm、2.99mm和3.02mm；各透镜的折射率依次为1.75、1.48、1.44、1.73、1.81、1.55、1.53、1.54、1.52；分光成像系统的凹面反射镜52、凸面衍射光栅53、凹面反射镜54的曲率半径依次分别为-35.2mm、-17mm和-34.5mm，各反射镜采用折射率为1.45的同种光学玻璃作为基底材料。

采用本实施例提供的大视场凝视式光谱成像系统，成像方法为：先由前置物镜的同心透镜1获取一个大视场的中间像2，小视场补偿镜3对中间像2进行精确像差校正、并同时将获得的消像差全色4像成像至分光成像系统的入射物面4处，由分光成像系统5进行分光成像后，在探测器焦平面6上探测得到光谱图像。

参见附图4，它是本实施例提供的光谱成像系统的前置物镜的像面光线追迹点列图，图中的黑色圆圈表示艾里斑，像面聚焦光斑基本都落在艾里斑以内，可见，本实施例提供的光谱成像系统的前置物镜，在整个像面上的光斑聚焦特性达到了衍射极限性能。

参见附图5，它是本实施例提供的光谱成像系统的前置物镜的光学传递函数曲线，横坐标为空间频率，纵坐标是传递函数值，由图可见，系统在探测器乃奎斯特频率100lp/mm处，传递函数值接近0.6，并且与衍射极限值曲线一致。因此，本实施例提供的多层分孔径凝视型光谱成像系统，其前置物镜达到了衍射极限的成像特性。

参见附图6，它是本实施例提供的凝视型光谱成像系统的分光成像系统在不同工作波长下的光学传递函数曲线，可见，所示各波长的光学传递函数曲线均接近衍射极限。

参见附图7，它是本实施例提供的凝视型光谱成像系统在不同工作波长下的畸变曲线，纵坐标是归一化视场，横坐标为畸变值（用其与目标物大小的百分比来表示），由图7可见，在各波长处，系统畸变均小于0.002%，达到了可忽略的数值，完全满足使用要求。

实施例2：

本实施例中，工作波段0.48μm~0.65μm，全视场角100o，分光成像系统F数为F/#=2.2，成像系统的光学系统结构参见附图1；前置物镜和分光成像系统光路图分别参见附图2和附图3。

光学成像系统的其余参数如下：前置物镜单孔径系统和分光成像系统焦距分别为40mm和110mm，沿光线方向，前置物镜球面负透镜11、球面正透镜12、球面正透镜13、球面负透镜14、球面负透镜31、球面正透镜32、球面正透镜33、球面负透镜34、场校正镜35的曲率半径依次分别为34.19mm、17.01mm、610mm、-15.53mm、-33.62mm、6.49mm、3.48mm、26.56mm、83.83mm、-2.09mm、-7.35mm、2.48mm和2.93mm；各透镜厚度依次为16.14mm、15.25mm、17.62mm、17.33mm、2.78mm、3.11mm、2.14mm、3.12mm和3.45mm；各透镜的折射率依次为1.74、1.49、1.45、1.74、1.83、1.56、1.54、1.52、1.53；分光成像系统的凹面反射镜52、凸面衍射光栅53、凹面反射镜54的曲率半径依次分别为-35.5mm、-17.2mm和-34.3mm，各反射镜采用折射率为1.43的同种光学玻璃作为基底材料。

本发明提供的多层分孔径折射和反/衍混合光谱成像系统，可同时获取100度视场范围内景物的光谱图像，且成像质量达到衍射极限性能，适用于大视场凝视型高分辨率光谱成像。

Claims (8)

1.一种大视场凝视式光谱成像系统，其特征在于：它包括大视场的前置物镜、多孔径的分视场分光成像系统和CCD探测器；所述大视场的前置物镜，沿光线入射方向，依次为一个同心透镜（1），多个中间像面（2）、小视场补偿镜阵列（3）和前置物镜的像（4）；所述的同心透镜（1）包括两片或四片胶合的对称球面透镜，同心透镜（1）以各球面透镜的球心为中心，呈全对称分布；所述的小视场补偿镜阵列（3）的单元包括两组双胶合和一片单透镜。

2.根据权利要求1所述的一种大视场凝视式光谱成像系统，其特征在于：所述的同心透镜（1），沿光线入射方向，依次为第一球面负透镜（11）、第一球面正透镜（12）、第二球面正透镜（13）和第二球面负透镜（14）；所述的小视场补偿镜阵列（3）的一个单元，沿光线入射方向，依次为补偿镜第一球面负透镜（31）、补偿镜第一球面正透镜（32）、补偿镜第二球面正透镜（33）、补偿镜第二球面负透镜（34）和补偿镜第三球面正透镜（35）。

3.根据权利要求2所述的一种大视场凝视式光谱成像系统，其特征在于：所述的第一球面负透镜（11）、第一球面正透镜（12）、第二球面正透镜（13）、和第二球面负透镜（14）、补偿镜第一球面负透镜（31）、补偿镜第一球面正透镜（32）、补偿镜第二球面正透镜（33）、补偿镜第二球面负透镜（34）和补偿镜第三球面正透镜（35），它们相对于大视场的前置物镜的焦距的归一化值依次对应为f ′ ₁₁、f ′ ₁₂、f ′ ₁₃、f ′ ₁₄、f ′ ₃₁、f ′ ₃₂、f ′ ₃₃、f ′ ₃₄、和f ′ ₃₅，分别满足条件：-2.20≤f ′ ₁₁≤-1.90、0.95≤f ′ ₁₂≤1.05、0.75≤f ′ ₁₃≤0.95、-2.05≤f ′ ₁₄≤-1.65、-0.50≤f ′ ₃₁≤-0.25、0.15≤f ′ ₃₂≤0.20、0.05≤f ′ ₃₃≤0.15、-0.35≤f ′ ₃₄≤-0.10、0.20≤f ′ ₃₅≤0.30。

4.根据权利要求2所述的一种大视场凝视式光谱成像系统，其特征在于：所述的第一球面负透镜（11）、第一球面正透镜（12）、第二球面正透镜（13）、和第二球面负透镜（14）、补偿镜第一球面负透镜（31）、补偿镜第一球面正透镜（32）、补偿镜第二球面正透镜（33）、补偿镜第二球面负透镜（34）和补偿镜第三球面正透镜（35），它们所采用的材料折射率依次分别对应为n ₁₁、n ₁₂、n ₁₃、n ₁₄、n ₃₁、n ₃₂、n ₃₃、n ₃₄、n ₃₅，分别满足条件：1.65≤n ₁₁≤1.80、1.45≤n ₁₂≤1.55、1.40≤n ₁₃≤1.53、1.65≤n ₁₄≤1.75、1.73≤n ₃₁≤1.85、1.45≤n ₃₂≤1.60、1.45≤n ₃₃≤1.60、1.45≤n ₃₄≤1.60、1.45≤n ₃₅≤1.60。

5.根据权利要求1所述的一种大视场凝视式光谱成像系统，其特征在于：所述前置物镜的焦距f ₁ 为38mm≤f ₁ ≤45mm，分光成像系统的焦距f ₂ 为105mm≤f ₂ ≤115mm。

6.根据权利要求1所述的一种大视场凝视式光谱成像系统，其特征在于：所述的光谱成像系统的全视场ω为0°≤ω≤100°。

7.根据权利要求1所述的一种大视场凝视式光谱成像系统，其特征在于：它的光学筒长L为185mm≤L≤200mm。

8.采用权利要求1所述的一种大视场凝视式光谱成像系统的成像方法，其特征在于包括如下步骤：前置物镜获取一个大视场目标物的带有均匀像差的中间全色像，通过多孔径分视场，得到多个小视场全色像；以各小视场全色像为后续分光成像系统的目标物,经分光成像系统色散和中继成像后,在探测器上获得该分视场的不同波长的光谱图像，再通过对相邻孔径小视场光谱图像进行拼接处理，得到大视场范围的光谱图像。