CN106556461B - 一种基于自适应光学的光谱成像装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种基于自适应光学的光谱成像装置，包括准直器(1)、倾斜镜(2)、波前校正器DM(3)、二向色分光镜(4)、波前探测器(5)、波前控制器(6)、成像系统(7)、望远镜一次像面(8)、中继光学系统(9)、望远镜二次像面(10)、图像切分器(11)、狭缝(12)、准直镜(13)、光栅(14)、成像镜(15)、探测器(16)和数据处理及控制计算机(17)。本发明采用像面切分转换后色散分光的方式，可在一次曝光同时获取目标的光谱和图像信息；通过结合自适应光学技术，引入波前探测器实时探测像差，并由倾斜镜和波前校正器实时校正，解决了探测过程中大气的扰动和三维信息的非扫描快速获取问题，特别适合对快速变化目标的测量。
Description
技术领域
本发明涉及光学领域，特别涉及天文光谱成像技术领域，提出了一种基于自适应光学的光谱成像装置。
背景技术
光谱成像技术结合了成像技术与光谱技术，在获得物体二维空间特征成像的同时，也获得被测物体的光谱信息，即可同时获取空间和光谱信息，生成三维数据立方。它的特点是每个图像像元都可以提取一条光谱曲线，并且具有空间可识别性。由于同时具有成像和光谱测量的优点，既可完成光谱技术的定性、定量分析，又可以进行形态特征获取和空间定位，是目前天文研究、空间探测、地物遥感、大气遥测等应用领域的研究热点。
一般情况下，二维焦平面探测器一次曝光只能获取二维信息。要获得目标的图像和光谱信息，必须经历某种形式的机械扫描或者电调谐扫描过程。目前大多数光谱成像系统采用的是扫描成像原理，主要有摆扫型、推扫型和凝视型。而不管哪种扫描方式，都是分时完成，无法对快速变化的目标实现实时的光谱和图像信息的获取。此外，在对天文目标进行光谱成像探测时，光谱成像装置会严重受到大气扰动的影响，表现在：1)大气扰动会使望远镜所观测到的目标像不断抖动，无法进行稳定的观测；2)大气扰动不断改变成像光斑的形状，这使得目标的形态分辨不清，也降低了空间定位的精度；3)大气扰动会导致目标能量的弥散，降低观测系统的能量收集效率；4)大气扰动会导致光谱成像装置的光谱展宽和谱线位移等问题，严重影响天文观测测量的准确性。因此，迫切需要一种光谱成像装置，能够克服分时扫描式光谱成像系统的问题，快速获取目标的光谱和成像信息；同时，可克服大气湍流的干扰，适用于天文观测，尤其适合对空间目标的探测。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：传统的光谱成像方法普遍通过分时扫描获取完整的成像-光谱三维信息，受大气扰动的影响更加严重，无法适用于快速变化的目标。同时，大气扰动会严重影响对天文目标和空间目标光谱成像观测性能，它会引起观测时图像的抖动和闪烁，以及能量分布的弥散，需加以克服。
本发明采用的技术方案是，一种基于自适应光学的光谱成像装置，该装置包括：准直器1、倾斜镜2、波前校正器DM3、二向色分光镜4、波前探测器5、波前控制器6、成像系统7、望远镜一次像面8、中继光学系统9、望远镜二次像面10、图像切分器11、狭缝12、准直镜13、光栅14、成像镜15、探测器16和数据处理及控制计算机17组成；其中：
望远镜对目标进行成像后，经准直器准直为平行光后入射至高速倾斜镜，用于实时校正大气湍流造成的波前整体倾斜。经高速倾斜镜后光束反射至波前校正器DM，用于实施校正高阶大气湍流像差引起的波前畸变。经波前校正器DM反射后的光束被二向色分光镜分为反射光和透射光，透射的部分进入波前探测器，反射的部分进入成像系统。其中，波前探测器能对不断变化的波前畸变进行实时探测，并对波前畸变中的不同类型像差进行分离，经数据处理和控制计算机处理后，得到控制波前校正器的驱动信号，分别用于控制高速倾斜镜和波前校正器DM。成像系统对经自适应像差校正后的光束进行成像，校正后的光束成像在望远镜焦平面处，即一次像面，同时获得目标经自适应光学校正后的清晰图像。中继光学系统对一次像面处的目标图像进行放大或者缩小，以匹配所需的空间采样，并再次成像，即产生二次像面。图像切分器放置在二次像面，对目标图像进行分割采样，并将采样后的图像由二维转换为一维，呈线型依次排列在光谱测量装置的狭缝上。通过狭缝后光束被准直镜准直为平行光，入射到光栅，经光栅色散分光后的光束由成像镜会聚于探测器的焦面处，再把数据传送至数据处理及控制计算机进行处理，它负责整个系统的协同工作。最后通过数据处理方法重建图像和光谱信息。
其中，上述的图像切分器的输入端位于经自适应像差校正后望远镜的二次像面上，以实现对目标图像的分割、耦合与采样。
其中，上述的图像切分器输入端的图像被采样后传输到输出端，输入端和输出端的采样单元一一对应。图像切分器输入端为二维排列，输出端为一维线性排列，用来将二维像面转换为一维后，进行色散分光。
其中，上述的图像切分器由单根光纤组合而成，或者由微透镜-光纤单元组合而成，也可以是微透镜-光纤-微透镜的组合形式，用来实现像面的分割、耦合与采样。单根光纤是图像切分器最简单的组合形式，通过对输入端和输出端进行不同排列可达到将二维排列转换为一维的目的，从而可将二维图像采样后转换为一维，再通过光栅色散分光；合理设计输出端的光纤排列间距，可以避免CCD采样时相邻光纤之间的混淆，从而可识别每一个光纤单元，即空间像元的色散光谱。使用纯光纤作图像切分器的问题在于，光纤排列时，光纤与光纤之间始终存在间隙，因此对图像耦合采样时存在能量损失；另外，光纤输出光束的F数与放置在狭缝后端准直镜的F数不匹配时，也存在耦合能量损失。为了提高能量耦合效率，可在二维排列的光纤前端增加微透镜阵列，光纤端面紧挨微透镜排列，微透镜需与相应的光纤精确对准。由于微透镜具有近100％的占空比，因此对图像耦合采样时几乎不存在能量损失；合理设计微透镜光学参数可使得微透镜收集的能量无损地传输进光纤，由此可提高输入端的能量收集效率。同理，光纤输出端与经设计的微透镜耦合可改变输出光束的F数，以便与后端准直镜的F数匹配，进一步提高能量收集效率。因此，图像切分器包括有光纤、微透镜-光纤-微透镜、微透镜-光纤三种形式，所需具体形式取决于应用需求。
其中，上述的图像切分器输出端为一维线性排列的光纤时，光纤排列于狭缝位置处；图像切分器的输出端为一维线性排列的微透镜时，单个微透镜所成的像也呈一维线型排列，且成像于狭缝位置处，经后端准直镜准直后，入射到光栅色散分光。
其中，上述的成像系统为高分辨力成像系统，经光学优化设计，可达到近望远镜衍射极限的成像分辨率。
其中，上述的中继光学系统为像方远心光学系统，该系统的放大倍率用于匹配图像切分单元的空间采样大小；同时，像方远心的结构设计可以提高像面到图像切分器的光能耦合效率。
本发明的原理在于：本发明提供了一种基于自适应光学的光谱成像装置，系统无运动部件和扫描装置，可在单次曝光时间内同时获取成像和光谱信息；结合自适应光学技术，通过采用波前探测器实时探测像差，并由倾斜镜和波前校正器进行实时校正，解决了探测过程中大气湍流的干扰，也消除了观测系统内部光学镜面形变引起的静态像差，特别适合探测快速变化的目标。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
(1)、本发明可实时克服大气湍流的干扰。本发明技术方案结合了自适应光学的思想，通过不断变化的波前校正量来补偿校正动态波前误差，使系统能够自动适应环境变化，克服大气动态干扰。
(2)、本发明可消除系统光路静态像差对测量的影响。本发明系统内部静态像差的存在会使得图像形变，探测到的能量不集中。在采用自适应光学技术实时校正动态波前误差的同时，系统的静态像差也得到校正。
(3)、本发明可在一次曝光同时获取成像和光谱信息。图像切分器对二维图像进行空间采样，并在狭缝位置重排列成一维；经单次曝光可获得所有空间采样单元的光谱。系统无运动部件，无需分时扫描获取成像和光谱三维信息，尤其适合快速变化目标的测量。
(4)、本发明可实现高分辨力的光谱成像。由于采用高速倾斜镜和波前校正器DM实时校正低阶和高阶像差，可获得近望远镜衍射极限的成像信息。只需合理设计图像切分器的采样参数，经图像重建后，仍可获得高分辨力的光谱成像信息。
(5)、本发明没有对图像和光谱的编码调制，目标的图像和光谱获取方式直接，数据保真度高，图像重建和光谱信息提取方法更简单。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于自适应光学的光谱成像装置结构示意图；
图2为三种图像切分器的具体实施方式示意图；
图3为探测器上获取的光谱图像；
图4为探测器获取的光谱图像上其中一空间单元在色散方向的光谱信息；
图5为探测器获取的光谱图像上其中一波长处的空间轮廓。
图中附图标记含义为：1为准直器，2为倾斜镜，3为波前校正器DM，4为二向色分光镜，5为波前探测器，6为波前控制器，7为成像系统，8为望远镜一次像面，9为中继光学系统，10为望远镜二次像面，11为图像切分器，12为狭缝，13为准直镜，14为光栅，15为成像镜，16探测器，17为数据处理及控制计算机，18为望远镜。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
如图1所示，一种基于自适应光学的光谱成像装置，该装置包括准直器1、倾斜镜2、波前校正器DM3、二向色分光镜4、波前探测器5、波前控制器6、成像系统7、望远镜一次像面8、中继光学系统9、望远镜二次像面10、图像切分器11、狭缝12、准直镜13、光栅14、成像镜15、探测器16和数据处理及控制计算机17组成；其中：
望远镜18对天文目标成像后，经准直器1准直为平行光后入射至高速倾斜镜2，用于实时校正大气湍流造成的波前整体倾斜；经高速倾斜镜后光束反射至波前校正器DM3，用于实时校正高阶大气湍流像差引起的波前畸变。经波前校正器DM3反射后的光束被二向色分光镜4分为反射光和透射光，透射的部分进入波前探测器5，反射的部分进入成像系统7。其中，波前探测器能对不断变化的波前畸变进行实时探测，并对波前畸变中的不同类型像差进行分离，经数据处理和控制计算机处理后，得到控制波前校正器的驱动信号，分别用于控制高速倾斜镜和波前校正器DM，由波前控制器6进行控制。成像系统7对经自适应像差校正后的光束进行成像，校正后的光束成像在望远镜焦平面处，即一次像面8，同时获得目标经自适应光学校正后的清晰图像。中继光学系统9对一次像面8处的目标图像进行放大或者缩小，以匹配所需的空间采样，并再次成像，即产生二次像面10。图像切分器11放置在二次像面10，将目标图像分割成若干子图像，并将分割后的子图像呈线型依次排列在光谱测量装置的狭缝12上，使得图像由二维转换为一维。通过狭缝12后光束被准直镜13准直为平行光，入射到光栅14，经光栅14色散分光后的光束由成像镜15会聚于探测器16的焦面处，再把数据传送至数据处理及控制计算机17进行处理，它负责整个系统的协同工作。最后通过数据处理方法重建图像和光谱信息。
所述的图像切分器11的输入端位于经自适应像差校正后望远镜的二次像面10处，以实现对目标图像的分割、耦合与采样。
所述的图像切分器11由单根光纤组合而成，或者由微透镜-光纤单元组合而成，也可以是微透镜-光纤-微透镜的组合形式，用来实现像面的分割、耦合与采样。图像切分器对输入端的图像采样后传输到输出端，输入端和输出端的采样单元一一对应。图像切分器输入端为二维排列，以满足对二维像面的分割采样；图像切分器的输出端为一维线性排列，与光栅刻线方向平行。
单根光纤是图像切分器最简单的组合形式，通过输入端和输出端的不同排列可将二维图像分割采样后转换为一维，再进行色散分光。合理设计输出端的光纤排列间距，可以避免CCD采样时相邻光纤之间的混淆，从而可识别每一个光纤单元，即空间像元的色散光谱。使用纯光纤作图像切分器的问题在于，光纤排列时，光纤与光纤之间始终存在间隙，因此对图像耦合采样时存在能量损失；另外，光纤输出光束的F数与放置在狭缝后端准直镜的F数不匹配时，也存在耦合能量损失。为了提高能量耦合效率，可在二维排列的光纤前端增加微透镜阵列，光纤端面紧挨微透镜排列，微透镜需与相应的光纤精确对准。由于微透镜具有近100％的占空比，因此对图像耦合采样时几乎不存在能量损失；合理设计微透镜光学参数可使得微透镜收集的能量无损地传输进光纤，由此可提高输入端的能量收集效率。同样，光纤输出端与经设计的微透镜耦合可改变输出光束的F数，以便与后端准直镜的F数匹配，进一步提高能量收集效率。因此，图像切分器包括有光纤、微透镜-光纤、微透镜-光纤-微透镜三种形式，可视具体应用需求而定。
进一步地，所述的图像切分器11的输出端为一维线性排列的光纤时，光纤排列于狭缝位置处；图像切分器的输出端为一维线性排列的微透镜时，单个微透镜所成的像也呈一维线型排列，且成像于狭缝位置处，经后端准直镜准直后，入射到光栅色散分光。
图2依次给出由光纤、微透镜-光纤、微透镜-光纤-微透镜组合的三种图像切分器具体实施方式，同时给出了与狭缝的位置关系。
所述的成像系统7为高分辨力成像系统，可达到接近望远镜衍射极限的成像分辨率。
所述的中继光学系统9为像方远心光学系统，其用途有两个：一是对望远镜焦平面的像进行放大或缩小，以使图像切分器的采样匹配所需的空间分辨率；二是像方远心的结构可以提高像面到图像切分器的能量收集效率。
基于自适应光学的光谱成像装置也可采用不增加中继光学系统，图像切分器直接放置于望远镜焦平面上，即对一次像面进行采样的方案。本方案在望远镜一次像面和图像切分器之间增加了中继光学系统，其优点在于：这种设计可以使得前端准直器1、倾斜镜2、波前校正器DM3、二向色分光镜4、波前探测器5、波前控制器6、成像系统7构成一套完整的自适应光学系统，作为一套独立的自适应光学装置使用，而后端可对接其它的探测设备；此外，这种设计只需改变中继光学系统的参数即可改变图像切分器的采样大小，降低了图像切分器对望远镜的依赖，从而提高了图像切分器使用的灵活性，可在不同的望远镜上对接使用。
所述的狭缝12为长狭缝，以容纳更多的空间采样单元；且狭缝方向与光栅刻线方向平行。
进一步地，所述的狭缝12宽度可调，调整时为手动调整或电动调整；狭缝宽度的选择，需充分考虑图像切分器输出端采样像元的大小，满足对目标成像空间分辨力的采样要求，同时也需满足对目标光谱分辨力的采样要求。
所述的探测器16为大靶面面阵探测器，以容纳更多的空间采样和光谱采样单元。
所述的探测器16上获取的光谱图像具有两个维度特征：一个维度为色散方向，代表光谱信息；另一个维度为空间方向，代表各空间采样单元的光强信息。通过图像重建和光谱信息提取可以得到三维数据立方。图3给出面阵探测器15上获取的光谱图像，其中水平方向为色散方向，代表对应空间单元的光谱信息；竖直方向为空间方向，代表任一波长处各空间采样单元的光强信息。图4给出其中一空间单元在色散方向的光谱信息，图5给出其中一波长处的空间轮廓。通过图像重建和光谱信息提取可得到三维数据立方。
Claims (10)
1.一种基于自适应光学的光谱成像装置，其特征在于：包括准直器(1)、倾斜镜(2)、波前校正器DM(3)、二向色分光镜(4)、波前探测器(5)、波前控制器(6)、成像系统(7)、望远镜一次像面(8)、中继光学系统(9)、望远镜二次像面(10)、图像切分器(11)、狭缝(12)、准直镜(13)、光栅(14)、成像镜(15)、探测器(16)和数据处理及控制计算机(17)；其中：
望远镜(18)对目标成像后，经准直器(1)准直为平行光后入射至倾斜镜(2)，用于实时校正大气湍流造成的波前整体倾斜；经倾斜镜后光束反射至波前校正器DM(3)，用于实时校正高阶大气湍流像差引起的波前畸变，经波前校正器DM(3)反射后的光束被二向色分光镜(4)分为反射光和透射光，透射的部分进入波前探测器(5)，反射的部分进入成像系统(7)，其中，波前探测器能对不断变化的波前畸变进行实时探测，并对波前畸变中的不同类型像差进行分离，经数据处理和控制计算机处理后，得到控制波前控制器的驱动信号，分别用于控制倾斜镜和波前校正器DM，成像系统(7)对经自适应像差校正后的光束进行成像，校正后的光束成像在望远镜焦平面处，即一次像面(8)，同时获得目标经自适应光学校正后的清晰图像，中继光学系统(9)对一次像面(8)处的目标图像进行放大或者缩小，以匹配所需的空间采样，并再次成像，即产生二次像面(10)，图像切分器(11)放置在二次像面(10)，对目标图像进行分割采样，并将采样后的图像由二维转换为一维，呈线型依次排列在光谱成像装置的狭缝(12)上，通过狭缝(12)后光束被准直镜(13)准直为平行光，入射到光栅(14)，经光栅(14)色散分光后的光束由成像镜(15)会聚于探测器(16)的焦面处，再把数据传送至数据处理及控制计算机(17)进行处理，它负责整个装置的协同工作，最后通过数据处理方法重建图像和光谱信息，生成三维图谱立方体。
2.根据权利要求1所述的一种基于自适应光学的光谱成像装置，其特征在于：所述图像切分器(11)的输入端位于经自适应像差校正后望远镜的二次像面上，以实现对目标图像的分割、耦合与采样。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于自适应光学的光谱成像装置，其特征在于：所述图像切分器(11)对输入端的图像采样后传输到输出端，输入端和输出端的采样单元一一对应，图像切分器输入端为二维排列，以满足对二维像面的分割采样；图像切分器的输出端为一维线性排列，与光栅刻线方向平行。
4.根据权利要求1或2所述的一种基于自适应光学的光谱成像装置，其特征在于：所述图像切分器(11)由单根光纤组合而成，或者由微透镜-光纤单元组合而成，也可以是微透镜-光纤-微透镜的组合形式，用来实现像面的分割、耦合与采样。
5.根据权利要求1或2所述的一种基于自适应光学的光谱成像装置，其特征在于：所述图像切分器(11)的输出端为一维线性排列的光纤时，光纤排列于狭缝位置处；图像切分器的输出端为一维线性排列的微透镜时，单个微透镜所成的像也呈一维线型排列，且成像于狭缝位置处。
6.根据权利要求1所述的一种基于自适应光学的光谱成像装置，其特征在于：所述成像系统(7)为高分辨力成像系统，可达到近衍射极限成像分辨率。
7.根据权利要求1所述的一种基于自适应光学的光谱成像装置，其特征在于：所述中继光学系统(9)为像方远心光学系统，以提高像面到图像切分器的光能耦合效率；同时，该中继光学系统的放大倍率用于匹配图像切分器的空间采样大小。
8.根据权利要求1所述的一种基于自适应光学的光谱成像装置，其特征在于：所述狭缝(12)为长狭缝，以容纳更多的空间采样单元；且狭缝方向与光栅刻线方向平行。
9.根据权利要求1所述的一种基于自适应光学的光谱成像装置，其特征在于：所述狭缝(12)宽度可调，调整时为手动调整或电动调整；狭缝宽度的选择，需满足对目标成像空间分辨力的采样要求，同时也需满足对目标光谱分辨力的采样要求。
10.根据权利要求1所述的一种基于自适应光学的光谱成像装置，其特征在于：所述探测器(16)为大靶面面阵探测器，以容纳更多的空间采样和光谱采样单元。
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