CN104535182B - 一种物方视场拼接红外高光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种物方视场拼接红外高光谱成像系统。本系统由成像子系统和分光子系统构成。所述成像子系统包括三组前置转折镜、后置转折镜和物镜组，分别对应左、中、右三路视场。对于中路视场，所述后置转折镜位于前置转折镜和物镜组之间；对于左、右路视场，所述物镜组位于前置转折镜和后置转折镜之间。所述分光子系统包括三狭缝、准直反射镜、分光棱镜、会聚反射镜和探测器光敏面。其中，三狭缝位于三路视场光线的一次成像处，三路视场光线通过三狭缝，经准直反射镜反射后进入分光棱镜色散分光，再经过会聚反射镜反射后二次成像在探测器光敏面上。采用本发明的成像系统不仅像质好，集光能力强，光学效率高，而且视场大，价格相对较低。
Description
技术领域
本发明涉及一种红外高光谱成像系统，具体涉及一种物方视场拼接实现大视场的棱镜分光红外高光谱成像系统。
背景技术
高光谱成像技术在遥感领域有着重要应用，目前公开的高光谱成像仪主要工作在可见光、近红外以及短波红外波段。由于红外焦平面探测器研制难度大，成本高，红外高光谱成像仪相对可见光高光谱成像仪技术门槛高，大视场高灵敏度的红外高光谱成像仪技术难度则更大。
目前高灵敏度的红外高光谱成像仪，主要采用推帚方式(视场往往较小)、凝视方式(后处理复杂)和选用高灵敏度大面阵红外焦平面探测器(价格昂贵)三种技术手段。
大视场高光谱成像仪过去常用光机扫描式来实现，但光机扫描方式高光谱成像仪像元驻留时间短，其灵敏度一般低于推帚式仪器。
要实现高灵敏度大视场高光谱成像仪，通常采用多台光谱仪拼接来实现，其缺点是，需要较多的光谱仪和探测器，成本较高，不利于仪器的推广应用。
本发明提出的物方视场拼接红外高光谱成像系统在物方采用三组物镜对左、中、右三路视场分别进行成像，通过折转镜将像面与系统的三狭缝面重合。可以采用一套红外探测器组件，分别接收三路视场的光谱图像信号，大大降低系统成本。本发明特别适用于物镜口径不太大的应用场合，例如航空遥感、中分辨率航天遥感等。
本发明尽管增加了物镜的数量和折转镜，以及由于系统采用了三狭缝，垂直于狭缝方向的视场有所扩大，导致成像系统尺寸略大，但比起采用三台光谱仪来说无论是体积还是重量都要小的多，并且由于可以仅采用一个探测器就能接收三路视场的光谱图像信号，系统的成本相应大幅度下降。目前红外探测器成本约占高灵敏度推帚式红外高光谱成像仪硬件成本的一半以上。粗略估算，采用本发明实现的系统成本不到传统多台光谱仪拼接系统的50％。
发明内容
本发明的目的在于提供一种大视场、成本相对较低的红外高光谱成像系统，解决现有高光谱成像仪很难同时兼顾大视场、高灵敏度和低成本的问题。
本发明所采用的技术方案是：一种物方视场拼接红外高光谱成像系统，系统包括成像子系统1和分光子系统2。其中，如图1所示，成像子系统1包括：(左路视场)前置转折镜101-1、物镜组103-1、后置转折镜102-1；(中路视场)前置转折镜101-2、后置转折镜102-2、物镜组103-2；(右路视场)前置转折镜101-3、物镜组103-3、后置转折镜102-3；如图2所示，分光子系统2包括：三狭缝201、准直反射镜202、分光棱镜203、会聚反射镜204和探测器光敏面205。左路视场区域按地面轨迹扫描进来的目标光线依次通过前置转折镜101-1、物镜组103-1、后置折转镜102-1，然后一次成像在三狭缝面的狭缝1(201-1)上；中路视场区域按地面轨迹扫描进来的目标光线依次通过前置转折镜101-2、后置转折镜102-2、物镜组103-2，然后一次成像在三狭缝面的狭缝2(201-2)上；右路视场区域按地面轨迹扫描进来的目标光线依次通过前置转折镜101-3、物镜组103-3、后置折转镜102-3，然后一次成像在三狭缝面的狭缝3(201-3)上。三路视场的目标光线按左、中、右路顺序并排成像在三狭缝201处。通过三狭缝201的三路视场光线经过准直反射镜202反射到分光棱镜203色散后，最后折射到会聚反射镜204上，最终被探测器光敏面205接收。
所述三组前置转折镜101和后置转折镜102均为平面反射镜，所述物镜组1(103-1)、物镜组2(103-2)、物镜组3(103-3)为结构相同的望远透镜组，所述准直反射镜202为偏轴使用的凹扁球形反射面；所述会聚反射镜204为偏轴使用的凹椭球形反射面；所述分光棱镜203为偏轴使用的融石英棱镜，该融石英棱镜的第一面203-1和第二面203-2的光学表面均为球面，其中第一面为内反射面，第二面为透射表面。
令垂直于地面目标指向地心方向为正X轴方向，地面轨迹由左到右视场方向为正Y轴方向，搭载光谱成像系统的飞行平台运动轨迹反方向为正Z轴方向。对于左路视场，前置转折镜1(101-1)Z轴倾斜-45°，后置转折镜1(102-1)X轴倾斜45°；对于中路视场，前置转折镜2(101-2)Z轴倾斜-45°，后置转折镜2(102-2)X轴倾斜45°；对于右路视场，前置转折镜3(101-3)Z轴倾斜45°，后置转折镜3(102-3)X轴倾斜-45°。
所述的探测器光敏面205按照左、中、右三路视场顺次且紧凑的接收三段连续的光谱图像信号，探测器光敏面205上的三段光谱图像信号可视为不间断的、连续的、包含了左、中、右三路视场信息的一长段大视场的总光谱图像信号。
本发明的优点是：
相比于传统光机扫描式光谱仪，该物方视场拼接红外高光谱成像系统灵敏度更高；相比于推帚式光谱仪，该物方视场拼接红外高光谱成像系统视场更大；相比于多台光谱仪拼接系统须采用多台探测器，该物方视场拼接红外高光谱成像系统仅需要一台红外面阵探测器，因而成本更低。
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物方视场拼接红外高光谱成像系统成像子系统光学结构；
图2物方视场拼接红外高光谱成像系统分光子系统光学结构；
图3实施案例(色散宽度2.5mm)设计传递函数(1.0μm波段)；
图4实施案例(色散宽度2.5mm)设计传递函数(1.75μm波段)；
图5实施案例(色散宽度2.5mm)设计传递函数(2.5μm波段)。
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。
下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
所述物方视场拼接红外高光谱成像系统的成像子系统中，物镜组由正透镜1、负透镜1、负透镜2、正透镜2、负透镜3、正透镜3顺次组成，物镜组口径12.5mm，视场角10°，焦距50mm，F#＝4；分光子系统F#＝4.0；物方视场拼接红外高光谱成像系统工作波段为1.0μm-2.5μm，三狭缝长度16mm，各狭缝相互之间间隔2.5mm，色散宽度2.5mm(采用25μm像元，可以实现100个波段的探测)。具体相关参数见表1、表2。
最后三路视场光线会聚成像在探测器光敏面处，X轴倾斜-5.083°。
参见附图3、图4、图5是实例所述的光学系统的调制传递函数曲线，可以看出，系统MTF大于0.6，满足成像要求。
表1
| 名称 | 面型 | 曲率半径(mm) | 中心间隔(mm) | 尺寸(mm×mm) |
| 正透镜1第一面 | 球面 | 14.380 | 6 | 13.1×12.5 |
| 正透镜1第二面 | 球面 | 41.871 | 2.273 | 12.6×11.2 |
| 负透镜1第一面 | 球面 | 24.297 | 1 | 11.9×9.8 |
| 负透镜1第二面 | 球面 | 1508.197 | 4.785 | 11.9×9.6 |
| 负透镜2第一面 | 球面 | 73.390 | 1 | 12.0×8.1 |
| 负透镜2第二面 | 球面 | 11.380 | 10 | 12.2×7.7 |
| 正透镜2第一面 | 球面 | 23.311 | 7 | 20.4×8.1 |
| 正透镜2第二面 | 球面 | 19.881 | 1.998 | 20.6×7.7 |
| 负透镜3第一面 | 球面 | 16.944 | 2 | 19.7×7.0 |
| 负透镜3第二面 | 球面 | 157.661 | 2.198 | 20.3×6.6 |
| 正透镜3第一面 | 球面 | 41.747 | 6 | 20.8×6.1 |
| 正透镜3第二面 | 球面 | 188.519 | 20 | 20.4×5.2 |
表2
Claims (4)
1.一种物方视场拼接红外高光谱成像系统，包括成像子系统(1)和分光子系统(2)；其特征在于，
所述的成像子系统(1)包括三组前置转折镜(101)、后置转折镜(102)和物镜组(103)；
所述前置转折镜(101)和后置转折镜(102)将光路折转到垂直于三狭缝面和地平面的子午面，所述的物镜组(103)将光线会聚到三狭缝(201)所在的焦平面；所述的分光子系统(2)中的准直反射镜(202)用于转折光路和会聚光线，分光棱镜(203)用于色散和改善像质，会聚反射镜(204)用于转折光路和聚焦成像，探测器光敏面(205)用于接收三路视场光线二次成像；
左路视场光线依次经前置转折镜1(101-1)、物镜组1(103-1)、后置转折镜1(102-1)成像在三狭缝面的狭缝1(201-1)上，中路视场光线依次经前置转折镜2(101-2)、后置转折镜2(102-2)、物镜组2(103-2)成像在三狭缝面的狭缝2(201-2)上，右路视场光线依次经前置转折镜3(101-3)、物镜组3(103-3)、后置转折镜3(102-3)成像在三狭缝面的狭缝3(201-3)上，通过三狭缝(201)的三路视场光线经过准直反射镜(202)反射到分光棱镜(203)色散后，最后折射到会聚反射镜(204)；
经过所述会聚反射镜(204)反射成像后，最终被所述探测器光敏面(205)接收，其中，所述探测器光敏面(205)的行接收目标图像的空间信息，所述探测器光敏面(205)的列接收所述目标图像的多组光谱信息；
三路视场光线经分光棱镜(203)色散后按左、中、右路顺次地、紧密地二次成像在探测器光敏面(205)上，与行扫描方向对应的探测器列阵单元构成空间维，与色散方向对应的探测器阵列单元构成光谱维。
2.如权利要求1所述的一种物方视场拼接红外高光谱成像系统，其特征在于，所述的前置转折镜(101)和后置转折镜(102)均为平面反射镜。
3.如权利要求1所述的一种物方视场拼接红外高光谱成像系统，其特征在于，所述的物镜组1(103-1)、物镜组2(103-2)、物镜组3(103-3)为结构相同的望远透镜组。
4.如权利要求1所述的一种物方视场拼接红外高光谱成像系统，其特征在于，所述分光子系统(2)包括三狭缝(201)、准直反射镜(202)、分光棱镜(203)、会聚反射镜(204)和探测器光敏面(205)；其中：
所述的准直反射镜(202)为偏轴使用的凹扁球形反射面；
所述的会聚反射镜(204)为偏轴使用的凹椭球形反射面；
所述的分光棱镜(203)为偏轴使用的融石英棱镜，该融石英棱镜的第一面(203-1)和第二面(203-2)的光学表面均为球面，其中第一面为内反射面，第二面为透射表面。
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