CN108051083B - 一种光谱成像装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种光谱成像装置，把入射光传递入射狭缝或者针孔上；第二光学组件为折射校正镜，将入射光引导到凹面反射镜上，而反射的光照射到凸面反射衍射光栅上，使得色散的光谱照射到同一凹面反射镜，再穿过同一第二光学组件，经过第二光学组件光聚焦到探测器上，入射狭缝和探测器优选在折射校正镜的中心线的上下对称分布，能够使得入射狭缝部件远离探测面，从而确保一个体积较大的探测器或者其他装在光谱成像系统上的装置没有遮挡入射狭缝部件。

Description

一种光谱成像装置

技术领域

本发明涉及一种用于高分辨率超光谱成像仪和色散型摄谱仪的光谱成像系统，具体涉及一种具有较之大多数先前设计更容易实现光谱成像系统高光通量、光栅高衍射效率并且具有优良的光谱和空间成像品质的光学设计的设计

背景技术

光谱仪器是将被研究的光分离出带有一定能量的波长或者波长区域(光谱)，并对每个带有相对强度的波长进行强度测定的装置。分析从物体反射或者由物体发射出的带电磁辐射的光谱可以有助于识别被研究物质的化学成分或者物理性质。依据波长可以决定是哪一种元素，这是光谱的定性分析；而对波长的强度测定，可以得到该元素的含量，这是光谱的定量分析。例如，在环保监测中使用光谱仪器来分析工业烟气中SO2 NO2 NO CO等气体成分含量，另外例如，在拉曼光谱中，物体被激光照射。激光激发研究对象的原子，并且这些原子发射与激光不同的波长的光，将激光的波长与发射出的光的波长进行比较有助于识别物体的化学成分。拉曼光谱和其他激光光谱技术(LIBS)用于分析矿物和地质样品，化学品、生物医药。随着各国对环境保护、资源勘探等领域的重视和关注，光谱成像也是随之成为一种新型的光学成像系统，它可以提供地面目标的二维空间信息(X,Y)和一维光谱信息(nm)，这样极大提高了目标探测的准确度，正确性，扩展了传统探测技术的功能。例如，用于在大气、海洋环境监测，资源勘探，精细农业等高分辨率应用的空间遥感领域，以及可以获取军事上的军事装备、军队部署等各种军事目标信息。

目前用于工业烟气分析、拉曼光谱分析的常规光谱仪器往往相对体积大和重量重，因在高分辨率光谱仪器中一般具有大光学焦距。因此，需要一种光学成像系统，其体积小，同时还能实现高分辨率的要求。所述高分辨率主要指的是光谱分辨率，光谱分辨率提高一般可以通过两个途径：(1)增加光学焦距，(2)增加衍射光栅的条纹数，它们目的都是增大光谱系统的色散，色散大，则相邻波长之间分的越开，光谱分辨率越高。本发明系统设计是通过增加衍射光栅的条纹数来提高光学系统的色散。

图1显示一种“Offner结构”：光线穿过狭缝照射到凹面反射镜，经反射照射到凸面光栅上，经光栅色散后光谱线又照回凹面发射镜，经反射最后光谱聚焦于探测器上。Offner结构常用应用在可见光与红外波段。目前基于“Offner结构”设计的光谱成像仪在高分辨率指标设计下往往体积相对很大，在空间遥感光学系统设计上很难符合对方提出的载荷体积要求。

图2显示一种“Dyson结构”：光线穿过狭缝穿过Dyson透镜，经会聚照射到凹面光栅上，经光栅色散后光谱线又传回Dyson透镜，经会聚最后光谱聚焦于探测器上。Dyson结构常用应用在可见光与红外波段，目前基于“Dyson结构”设计的光谱成像仪设计的体积尽管较小，但光栅刻线低，在美国专利0237657(Warren)中有举例说明光栅刻线在22线/mm。而在高分辨率指标同时要求体积小情况下设计，光栅刻线密度高，高刻线密度的机械刻划光栅制作困难，衍射效率也受到刻划刀尖尺寸限制而不高。而全息方法制作的光栅，槽形通常是正弦形，它在Dyson系统中衍射效率低，降低了对微弱信号接收能力。

因此，需要一种光学成像系统，使其不受衍射光栅制作限制，同时衍射光栅在该光学系统中还具有衍射效率高(大于60％)。

此外其探测器必须放置在紧靠Dyson光学块的地方，在美国专利7609381(Warren)中有举例说明这点。因此，需要一种光学成像系统，其探测器离最近的光学元件的物理间隔更大，从而可以提高与探测器相关的机械设计的灵活性(比如能增加探测器的制冷装置)。

目前传统的光谱仪器光学设计中一般有准直物镜，其光学地位于入射狭缝和色散元件之间的光学组件，使得穿过狭缝的光变准直，从而可以使用色散棱镜、平面反射衍射光栅或平面透射光栅。对于大数值孔径(NA≥0.2)系统设计中为了需要使光变准直，采用多片球面镜片或者多片具有非球面的镜片，使得光学复杂度会更高，同时散射光也随之增加。因此，需要一种在入射狭缝和色散元件之间具有更加简单的光学组件，使得散射光少，而且不需要使光变准直，同时满足大数值孔径(NA≥0.2)的要求。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种光谱成像装置，具有体积较小，能实现高分辨率(结合现有探测器产品，光谱分辨率(UV)：0.3至0.5nm)的要求，适合高质量成像应用，而且具有高衍射效率(最高绝对衍射效率≥60％)和机械设计的灵活性，同时满足大数值孔径(NA≥0.2)的要求。

本发明技术解决方案：一种光谱成像装置，包括：具有同一个穿过所有中心线的中心平面(YOZ)的光学系统，用于从光源接收入射光，将所述光投射到反射式凸面衍射光栅上，再将从所述反射式凸面衍射光栅而传回的光聚焦到探测器上；

其中所述的光源和所述探测器在所述中心平面的相反侧上是对称的，并且投射到所述反射式凸面衍射光栅上的光和从所述反射式凸面衍射光栅而传回的光各自经过相同光学元件，且所述光不加准直就被传递到所述反射式凸面衍射光栅。

在另一实施例中，所述光学系统包含第一和第二折射校正器元件，其操作地位于所述光源与所述凸面衍射光栅之间，用于将入射光聚焦到所述凸面衍射光栅上，且将从凸面衍射光栅传回的光聚焦到所述探测器上。

优选地，所述折射校正器操作定位成离所述凸面衍射光栅比离所述凹面反射镜近。在各实施例中，从所述光源发出的穿过所述光学系统的光在物理上与从所述凸面衍射光栅传回的光分开，并且关于所述中心平面对称。

在优选实施例中，光不加准直就被传递到所述反射凸面衍射光栅上。

在其他实施例中，所述光学系统的所述光源是穿过狭缝被接收的，并且可以包含第一光学系统，用于将光聚焦在所述狭缝上。

在其他实施例中，所述光学系统的所述光源是穿过针孔被接收的，并且可以包含第一光学系统，用于将光聚焦在所述针孔上。

在其他实施例中，所述第一光学系统是将光传递到所述狭缝或针孔上的光纤系统。

在其他实施例中，所述第一光学系统是将光传递到所述狭缝上的前置望远系统(离轴三反、离轴二反)。

在其他实施例中，所述探测器具有一条垂直所述探测器的轴线，并且所述探测器轴线相对所述中心平面倾斜

在其他实施例中，所述折射校正器包括在同一光学平面上彼此邻近的两个球面光学元件，这两个球面光学元件可以沿着同一光轴彼此隔开。

在另一实施例中，场透镜(柱面镜)光学地位于所述探测器与所述折射校正器之间。

在另一实施例中，滤光片光学地位于所述狭缝与所述折射校正器之间。

在另一实施例中，所述光学系统是由一个或一个以上双透镜光学元件组成。

在其它实施例中，所述系统可以包含光学地位于所述光学系统与所述探测器之间的具有全内反射的折叠镜或棱镜。

在其它实施例中所述光学系统具有位于所述光学系统的一个或一个以上所述表面上的非球形表面。

在各种实施例中，所述光谱成像系统可具有针对紫外(UV)、可见光和近红外(VNIR)、短红外(SWIR)波、中红外(NWIR)波和/或远红外(LWIR)波长优化的折射校正镜。

在另一实施例中，所述系统可以进一步包括光学地连接到所述光谱成像系统的分叉光纤，使得光穿过不止一个狭缝进入所述光谱成像仪。

更具体来讲，涉及一种具有较之大多数先前设计更容易实现光谱成像系统高光通量、光栅高衍射效率并且具有优良的光谱和空间成像品质的光学设计的设计。可以有效用于具有大量像素的探测器，该光学设计包含大尺寸像素并且具有最低的色畸变(keystone)和谱线弯曲(smile),适合高质量成像应用。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明结构紧凑，光学元件少，体积可以做小，同时能实现高的光谱分辨率和空间分辨率。

(2)本发明中的凸面光栅是具有低杂散光、高色散、高衍射效率、易制作的全息光栅。

(3)本发明光学系统的相对孔径为2.8≤F#≤1.5,有益于仪器实现高信噪比。

(4)本发明关于中心平面对称分布，散射光易遮挡，几何像差小，安装与调试容易，成像质量好。

(5)本发明可以有效用于具有大量像素的探测器，并且具有最低的色畸变(keystone)和谱线弯曲(smile),适合高质量成像应用。

(6)本发明光学系统设计格式通用性好，可以用于紫外光到远红外(热红外)的不同光谱范围。

附图说明

图1是根据现有技术的典型的基于offner的摄谱仪设计；

图2是根据现有技术的典型的基于Dyson的摄谱仪设计；

图3是根据本发明的一个实施例的展示用于高分辨率探测光谱成像仪、色散型摄谱仪的小型光谱成像系统的结构透视图；

图4是图3以中心平面(YOZ)为剖切平面的剖面图；

图5是图3以中心平面(YOZ)为剖切平面的另一剖面图；

图6是根据本发明的一个实施例的展示位于入射狭缝与折射校正镜之间的折叠镜的小型光谱成像系统的结构透视图；

图7是图6以中心平面(YOZ)为剖切平面的剖面图；

图8是根据本发明的一个实施例的展示透镜上的涂层形式的挡板的高光谱成像仪；

图9是根据本发明的一个实施例的展示与入射光和色散光的边缘平行的物理屏障形式的光陷阱的高光谱成像仪；

图10是根据本发明的一个实施例的用于具有相对孔径为F#＝2.5的小型紫外(UV)摄谱仪的高光谱成像仪；

图11是图10所述实施例的中心波长光线追迹点列图；

图12是根据本发明的一个实施例的合并了位于探测器前方的柱面镜且具有相对孔径为F#＝2.5的小型紫外(UV)摄谱仪系统；

图13是根据本发明的一个实施例的用于具有相对孔径为F#＝2.5且合并了位于入射狭缝与折射校正镜之间的滤光片的小型紫外(UV)摄谱仪的高光谱成像仪；

图14是根据本发明的一个实施例的用于具有相对孔径为F#＝2.2且合并了一个非球形表面的小型紫外(UV)摄谱仪的高光谱成像仪；

图15是根据本发明的一个实施例的用于具有相对孔径为F#＝2.5的小型可见光(VIS)摄谱仪的高光谱成像仪；

图16是根据本发明的一个实施例的具有相对孔径为F#＝2.8且具有两个单透镜的高光谱成像仪；

图17是根据本发明的一个实施例的具有相对孔径为F#＝1.7且一个具有所有球形表面的单透镜的近红外(NIR)光谱范围的高光谱成像仪；

图18是根据本发明的一个实施例的具有相对孔径为F#＝1.6且一个具有所有球形表面的单透镜的短红外(SWIR)光谱范围的高光谱成像仪；

图19是根据本发明的一个实施例的具有相对孔径为F#＝1.5且一个具有所有球形表面的单透镜的中红外(MNIR)光谱范围的高光谱成像仪；

图20是根据本发明的一个实施例的具有相对孔径为F#＝1.5且一个具有所有球形表面的单透镜的远红外(LNIR)光谱范围的高光谱成像仪；

图21是根据本发明的一个实施例的具有相对孔径为F#＝2.8且一个具有双狭缝的VIS-NIR光谱范围的摄谱仪。

具体实施方式

结合附图和实施例对改善的小型光谱成像系统作进一步阐述。

在图3到图20所示的实施例中，改善的系统提供了一种光学器件，用于非光谱色散的光的成像功能和改善成像质量功能，该非光谱色散的光穿过狭缝或针孔进入摄谱仪到达凸面衍射光栅，其中光谱色散的光随后使用相同的光学器件被聚焦到探测器上。通过这种方法在很大程度上减少了谱线弯曲和色畸变，并且这些设计相对于offner型、Dyson型设计有显著的优点。

如图3所示，常规offner光谱仪图1包括一个大的凹面反射镜03，其口径尺寸为直径420mm，使得仪器的体积和重量都比较大。本发明实例提供的展示用于高分辨率探测光谱成像仪、色散型摄谱仪的小型光谱成像系统的结构透视图，系统由光输入装置0、狭缝1(也可以有用针孔)、折射校正镜2、凹面反射镜3、凸面光栅4、探测器5构成，6是入射光束主光线，7是成像光束像方的主光线，c2是折射校正镜的中心线，c3是凹面反射镜的中心线，c4是凸面光栅的中心线，c1是与c2、c3、c4共面的虚线，OXYZ是空间直角坐标系,其中c1、c2、c3、c4都在YOZ平面内，YOZ平面为光学系统的中心平面。光输入装置0、狭缝1与探测器5分别设置在中心平面YOZ上下侧并以间距28mm对称分布。入射光6通过光输入装置0穿过狭缝1，照射到折射校正镜2，经透射传递到凹面反射镜3，经反射传递到凸面光栅4，经色散后重要波长的成像光束7沿着一个与入射光束6相同的角度依次传回凹面反射镜3、折射校正镜2，最后会聚于探测器5。这种结构被称为“回射”或自准直条件，即成像光束的主光线与入射光束的主光线沿同一路径接近或完全重合。

光学成像系统中，折射校正镜中每个面优先为球面，另外可选非球面。凹面反射镜和凸面光栅优先为球形表面，另外可选非球形表面。光栅条纹槽型优先为正弦型的等间距直线沟槽全息光栅，另外也可选用弯曲的，非平行沟槽的像差校正光栅。探测器5为面阵型或线阵型，面阵型可选像元尺寸13umx13um，像元数1024x1024的E2V公司CCD4720型面阵探测器,线阵型可选采用Toshiba公司的TCD1304CCD。

如图4所示，具有刻线密度的凸面光栅4，对给定入射光束16波长范围内，发生第一级色散dp(如短波长光束sw和长波长光束lw)，其中242nm波长光束sw沿着一个与入射光束16相同的角度传回。在本实施例中，使用波长范围在242至315nm内，每毫米约为2890刻线数的凸面光栅4可以使用。利用商业光学设计软件ZEMAX可以优化第一级色散dp的光束传播，即为了最大限度提高第一级色散dp的光束能量，通过自准直条件下完成，其中对于全息光栅的衍射效率而言，不仅取决于刻线槽型，而且决定于入射光的波长λ和刻线槽间距d，根据相关公式(1)：

2/3＜λ/d＜2 (1)

对于正弦槽型的全息光栅，如果入射光的波长λ和刻线槽间距d的比值在公式(1)之内，很少有高级次色散存在(高次色散的光谱，易成为杂光)，此时选择合适的刻线槽深度，可以到机刻光栅相同的衍射效率(60％以上)。

如图5所示，入射光从入射端i沿着半M型(offner为M型)路径穿过狭缝或者针孔1，照射到折射校正镜2，光穿过后照射到凹面反射镜3，经反射到凸面光栅4，经色散后第一级光谱光束dp1、dp2沿同一半M型路径传回凹面反射镜3、折射校正镜2，最后会聚在探测器5上。不同于传统offner光谱仪(M型结构)图1，本实施例中狭缝或针孔1、探测器5折射校正镜2设置在凸面光栅4的相同一侧，得到一个更加紧凑的结构。另外传统offner光谱仪图1中凸面光栅04的刻线数为120线/mm,而图5中凸面光栅4的刻线数2891线/mm，本领域技术人员所知，刻线数越多，光栅色散越高，高色散特性使得本光学成像系统使用的波长范围比传统offner光谱仪小。

如图6所示，展示位于狭缝或者针孔1与折射校正镜2之间的折叠镜反射镜8的小型光谱成像系统的结构透视图，它是图3的设计的变化形式。入射光6通过光输入装置0穿过狭缝或者针孔1，照射到折叠反射镜8，经反射穿过折射校正镜2，经透射传递到凹面反射镜3，经反射传递到凸面光栅4，经色散后重要波长的成像光束7沿着一个与入射光束6相同的角度依次传回凹面反射镜3、折射校正镜2，最后会聚于探测器5。其中光输入装置0、狭缝或针孔1、折叠反射镜8与探测器5分别设置在中心平面YOZ上下侧并以间距28mm对称分布。本实施例中为了配置一个大CCD相机(美国FLI公司ML-45型号)或者其他大外形尺寸的探测器而不遮挡光输入装置0、狭缝或者针孔1，引入一块折叠反射镜8，使得入射光6平行于探测器5所在平面引入，而不是垂直探测器5平面，所以当安装较大的CCD相机时，不会遮挡入射光6，同时也可以方便设计安装探测器5的制冷装置。其他具有内全反的棱镜也可放置子折叠反射镜8位置上起到相同作用。

如图7所示，入射光从入射端i沿着半M型路径穿过狭缝或者针孔1，照射到折叠反射镜8，经反射到折射校正镜2，光穿过后照射到凹面反射镜3，经反射到凸面光栅4，经色散后第一级光谱光束dp1、dp2沿同一半M型路径传回凹面反射镜3、折射校正镜2，其中240nm波长光束sw沿着一个与入射光束16相同的角度传回，最后会聚在探测器5上。

如图8所示，光谱仪器的信噪比是一个仪器性能重要指标，在光能量不能有所提高情况下，如何消除杂散光就显得重要了。图8展示一个实施例中在折射校正镜2周边上粗黑线表示涂有黑色吸光材料9，如消光漆(日本GT-7B)。采用涂黑色吸光材料9可以吸收从狭缝或者针孔1处穿出的杂散光，避免照射到凸面光栅4，减少杂散光的影响；同时光束在穿过折射校正镜2的表面21和表面22会产生镜面反射，成为杂散光，这是本领域技术人员所知的，因此，通过涂黑色吸光材料9，可以一部分吸收镜面反射光，还需要在折射校正镜2的表面21和表面22上镀减反射膜(AR)可以有效消除镜面反射。

如图9所示，还可以通过设置光陷阱10方式消除杂散光，系统中入射光16照射在凸面光栅4上，存在第零级色散光谱和第一级色散光谱，这是本领域技术人员所知的。而第零级色散光谱是系统不需要的，如果不遮挡它，会成为杂散光。而带锯齿状的光陷阱使得光的散射最小化，这是本领域技术人员所知的。在图9中的光传播路径中可以设置多个带锯齿状的光陷阱10(粗黑线示意)来消除第0级色散光谱以及其他杂散光。

如图10所示，图中展示一个实施例可用于大气污染物监测的具有相对孔径为F/#＝2.5的小型紫外(UV)摄谱仪的高光谱成像仪系统，系统工作波长在242nm至315nm紫外波段，系统的F#＝2.5，狭缝1是一个高为10mm宽为60um的矩形，探测器5采用E2V公司的4720型面阵CCD。狭缝1位于探测器5的下方间距28mm位置，可以避免穿过狭缝1的杂光照射到探测器5上。狭缝1、折射校正镜8、探测器5都在凸面光栅4的同一侧，使得光学系统结构更加紧凑长度为108mm。该光学系统的有关参数如下表1、下表2。

如图11所示，展示了图10所述实施例光学系统的光线追迹点列图，是穿过狭缝1的光经过系统成像后在探测器5上的情况。图中的方框大小为10umx10um。从图中可以看出，系统中心波长258.7nm的在各个不同视场处的点列图均接近或完全达到衍射极限为0.9021um并均落在探测器5的一个像元(13um)内。

如图12所示，图中展示一个实施例可用于工业烟气(硫氮氧化物)监测的具有相对孔径为F/#＝2.5且探测器5前方带有柱面镜11的小型紫外(UV)摄谱仪系统。系统工作波长在190nm至250nm紫外波段,系统的F#＝2.5,狭缝1是一个高为1mm宽25um的矩形，探测器5采用滨松公司的S10122-256Q型线阵CCD(像元大小为50umx500um,像元数为256x1)，狭缝1位于探测器5的下方间距28mm位置。工业烟气监测中光谱信号一般微弱，在实施例所述的探测器5带前有柱面镜11，柱面镜11提高了探测器5单位面积上光谱能量，这是本领域技术人员所知的。

如图13所示，类似图10展示一个在狭缝1后紧贴有长通滤光片12的实施例。系统工作波长在242nm至315nm紫外波段，如果242nm以下波长不需要的光进入系统中会产生杂光，另外狭缝外形相对大，狭缝1外形尺寸长为16mm宽为5mm厚度为0.02mm，因此狭缝1紧贴长通滤光片12起到平整支撑狭缝1的作用。其中长通滤光片厚度3mm，玻璃材料为UV级熔融石英。

如图14所示，类似图10展示系统中折射校正镜2的凹面23和凸面24采用非球形表面的实施例，使用非球形表面可以让本系统像差进一步得到改善，同时提高本实施例的相对孔径F#增至2.2，对所属本领域的技术人员使用商用光学设计软件可以进行。其中折射校正镜的凹面23的非球面系数conic＝0.1，凸面24的非球面系数conic＝0.1。

如图15所示，图中展示具有相对孔径为F/#＝2.5的小型可见光(VIS)摄谱仪的高光谱成像仪系统，系统工作波长在400m至550nm可见波段，系统的F#＝2.5，狭缝1是一个高为12mm宽为60um的矩形，探测器5采用E2V公司的4720型面阵CCD(像元大小为13umx13um，像元数为1024x1024)。狭缝1位于探测器5的下方间距28mm位置，可以避免穿过狭缝1的杂光照射到探测器5上。狭缝1、折射校正镜8、探测器5都在凸面光栅4的同一侧，使得光学系统结构更加紧凑长度为92mm。其中凸面光栅是刻线数为2035线/mm的全息光栅，折射校正镜2的凹面21和凸面22均为球形表面，曲率半径分别为-79mm，-96mm；玻璃材料为K9。

如图16所示，图中展示两个间距为2mm的薄单透镜13和厚单透镜14，这对于光学材料选择有限时，本实施例的优点就体现出来，所属本领域技术人员使用商业光学设计软件可以容易模拟优化不同光学材料的效果。薄单透镜13和厚单透镜14间隔更大，可以对系统的光学像差控制更具灵活性。

如图17所示，图中展示了具有相对孔径为F/#＝1.7且一个具有所有球形表面的单透镜的近红外(NIR)光谱范围的高光谱成像仪系统，系统工作波长在1550nm至1710nm近红外波段，系统的F#＝1.7，狭缝1是一个高为9mm宽为100um的矩形，探测器5采用Zenics公司的MCT型面阵CCD(像元大小为30umx30um，像元数为320x256)。狭缝1位于探测器5的下方间距20mm位置，可以避免穿过狭缝1的杂光照射到探测器5上。狭缝1、折射校正镜8、探测器5都在凸面光栅4的同一侧，使得光学系统结构更加紧凑长度为107mm。其中凸面光栅是刻线数为747.8线/mm的全息光栅，折射校正镜2的凹面21和凸面22均为球形表面，曲率半径分别为-43mm，-52mm的单透镜；玻璃材料为BK7。

如图18所示，图中展示了具有相对孔径为F/#＝1.6且一个具有所有球形表面的单透镜的短红外(SWIR)光谱范围的高光谱成像仪系统，系统工作波长在2000nm至2100nm近红外波段,系统的F#＝1.6，狭缝1是一个高为9mm宽为100um的矩形，探测器5采用Zenics公司的MCT型面阵CCD(像元大小为30umx30um，像元数为320x256)。狭缝1位于探测器5的下方间距20mm位置，可以避免穿过狭缝1的杂光照射到探测器5上。狭缝1、折射校正镜8、探测器5都在凸面光栅4的同一侧，使得光学系统结构更加紧凑长度为105mm。其中凸面光栅是刻线数为608线/mm的全息光栅，折射校正镜2的凹面21和凸面22均为球形表面，曲率半径分别为-42mm，-49mm的单透镜；玻璃材料为ZNSE。

如图19所示，图中展示了具有相对孔径为F/#＝1.5且一个具有所有球形表面的单透镜的中红外(NWIR)光谱范围的高光谱成像仪系统，系统工作波长在3800nm至3920nm近红外波段,系统的F#＝1.5，狭缝1是一个高为9mm宽为100um的矩形，探测器5采用法国sofradir公司的MARS MW型面阵CCD(像元大小为30umx30um，像元数为320x256)。狭缝1位于探测器5的下方间距20mm位置，可以避免穿过狭缝1的杂光照射到探测器5上。狭缝1、折射校正镜8、探测器5都在凸面光栅4的同一侧，使得光学系统结构更加紧凑长度为115mm。其中凸面光栅是刻线数为422线/mm的全息光栅，折射校正镜2的凹面21和凸面22均为球形表面，曲率半径分别为-49mm，-56mm的单透镜；玻璃材料为ZNSE。

如图20所示，图中展示了具有相对孔径为F/#＝1.5且一个具有所有球形表面的单透镜的远红外(LWIR)光谱范围的高光谱成像仪系统，系统工作波长在8000nm至8360nm远红外波段，系统的F#＝1.5，狭缝1是一个高为9mm宽为100um的矩形，探测器5采用法国sofradir公司的MARS LW型面阵CCD(像元大小为30umx30um，像元数为320x256)。狭缝1位于探测器5的下方间距20mm位置，可以避免穿过狭缝1的杂光照射到探测器5上。狭缝1、折射校正镜8、探测器5都在凸面光栅4的同一侧，使得光学系统结构更加紧凑长度为108mm。其中凸面光栅是刻线数为170线/mm的全息光栅，折射校正镜2的表面21和表面22均为球形表面，曲率半径分别为-42mm，-49mm的单透镜；玻璃材料为ZNSE。

如图21所示,图中展示了具有相对孔径为F/#＝2.8且一个具有双狭缝的VIS-NIR光谱范围的摄谱仪系统，图6已经描述过折叠反射镜8的作用，它使得探测器5能配置大的CCD相机以及方便设计相关制冷机械件。系统工作波长在403nm至550nm和551nm至700nm两个波段,系统的F#＝2.8，两个狭缝I1与I2分别在探测器5的两侧并对称分布，而且分别位于探测器5的下方间距15mm、20mm的位置，两个波段最终成像上下分布在探测器5上。它相当于把两套光谱仪器合成一套，这节省另一个波段的光谱仪器设备占得空间。尽管这功能其他类型光谱系统也存在，这里说明该光学系统设计灵活多变。

在每一个实施例中，所述改善的光学设计中狭缝、探测器分别位于中心平面两侧近似对称分布，这种设计改善了对杂散光的控制，并且可以选择使用折叠镜或棱镜，其中，这些元件的内全反射就在探测器另一侧，因此，这些设计可以提供狭缝与探测器之间更大的物理间隔，从而让摄谱仪的物理布局更大的灵活性

另外，所述光学设计可以使用透镜、凹面反射镜和反射式衍射光栅，这些光学元件对于许多波长范围内全都有球形表面，这提供了一个优点，相比较Dyson类型光学元件需要的非球形表面来说更容易加工。

下表1和下表2中提供了用于UV f2.5高光谱实施例(如图10)的光学规定和其他光学参数，并且提供了所属领域技术人员所知的典型系统的说明。

表1-实例性光学规定

表2-UV f2.5实施例的其他光学参数

F/#	2.5
		波长范围	242nm至315nm
狭缝长度	10mm
		狭缝宽度	60um
狭缝图像长度	10mm
		光谱图像长度	13mm
摄谱仪长度	138mm
		线色散	5.62nm/mm
最大半高宽(FWHM)	59.8um
		光谱分辨率	0.345nm

此外，本发明允许许多设计选择，这些设计尤其包含：

在可能难以获得透镜的合适光学材料的情况下，针对光谱波长合并至少一个非球形表面。

针对所有波长保持球形表面，且在探测器前面，但不是在穿过狭缝的入射光进入的路径中来添加额外的折射校正器透镜元件。

保持球形表面且包含探测器的倾斜以及在所有波长下提供优良的焦距。

采用高光谱成像仪、摄谱仪的相同基本光学设计。

此外，根据本发明，因为不再需要使进入狭缝的光准直，所以与一些其他类型的摄谱仪相比，会实质性减少所需的光学元件的数目，从而进一步简化整体结构和减少杂散光。

与Dyson型光学设计相比，使用较薄的折射校正器透镜意味着，能有更多空间配合阻挡元件以使入射光的分散最小化更实用，而阻挡元件在更大的Dyson透镜中产生更显著的应力现象，使得实现均匀折射率的目标将会比本发明中的光学设计受到更多损害。

优选实施例使用围绕中心平面几乎对称的狭缝/探测器位移，并且避免使用了Dyson中的厚透镜，因此使无热问题最小化同时减少光学像差。

此外，在Dyson设计中，折射校正器组件仅针对球形像差进行校正，而本发明通过选择折射校正器组件中的透镜的合适焦距和材料，可以校正增加的轴向色差和垂轴色差、慧差、畸变、象散。

所有图示的实施例都具有所诉本领域技术人员所知的光学材料，并且总体上经过选择能优化材料的光谱透射率，从而提供系统最佳的信噪比。图示的实施例还可提供小于1微米的色畸变和谱线弯曲像差。可以通过商业光学设计软件来模拟优化不同的光学材料效果来选择材料。

重要的一点，光学系统应用中准许包含更有效的挡板来减少散射的光。挡板可以放在所有光学表面之间或上面的空间中，这些光学表面不在入射光或光谱色散光的路径中。

提供以上实施例仅仅是为了描述本发明的目的，而并非要限制本发明的范围。本发明的范围由所附权利要求限定。不脱离本发明的精神和原理而做出的各种等同替换和修改，均应涵盖在本发明的范围之内。

Claims (7)

1.一种光谱成像装置，具有同一个穿过所有中心线的中心平面的光学系统，其特征在于：包括光输入装置、狭缝或者针孔、折射校正镜、凹面反射镜、凸面光栅和探测器，所述凹面反射镜位于所述折射校正镜与所述凸面光栅之间，其中：

所述光输入装置，是用于从光源接收入射光，将所述光传递到所述狭缝或所述针孔上的光纤系统，也可以是前置望远系统，所述前置望远系统为离轴三反系统或离轴二反系统；

所述针孔，是在空间方向上具有一个针孔以上的阵列式针孔，调节光学系统的光谱分辨率和检验空间分辨率，所述入射光穿过针孔传递到所述折射校正镜；

所述折射校正镜，用于对穿过的光线会聚并校正像差，增大光学系统的数值孔径NA，所述光穿过折射校正镜传递到所述凹面反射镜；

所述凹面反射镜，用于和所述折射校正镜对经过的光线会聚并校正像差，所述光经过凹面反射镜反射到凸面光栅；

所述凸面光栅，通过衍射光栅的色散特性把所述入射光中不同波长分开形成光谱，所述光谱传回所述凹面反射镜，经反射回所述折射校正镜，所述折射校正镜结合所述凹面反射镜对光谱线会聚并校正像差，最后光谱聚焦到所述探测器上；

所述光学系统具有同一个穿过所有中心线的中心平面(YOZ)，用于从光源接收入射光，将所述入射光投射到凸面光栅上，再将从所述凸面光栅传回的所述光谱聚焦到探测器上；所述狭缝或针孔和所述探测器在所述中心平面的相反侧上是对称位置的，并且投射到所述凸面光栅上的所述入射光和从所述凸面光栅而传回的所述光谱各自经过相同光学元件，且所述入射光不加准直就被传递到所述凸面光栅，在中心平面(YOZ)上的投影，所述入射光与从所述凸面光栅而传回的所述光谱中的短波长光束重合；

光学系统的相对孔径从1/2.8≤1/F#≤1/1.5,实现高信噪比；

所述凸面光栅的表面为球形表面，所述凸面光栅的刻线为正弦型；

所述探测器具有一条垂直所述探测器的轴线，并且所述探测器轴线相对所述中心平面倾斜；

从所述光源发出的穿过所述光学系统的光在物理上与从所述凸面衍射光栅传回的光分开，并且关于所述中心平面对称。

2.根据权利要求1所述的光谱成像装置，其特征在于：所述折射校正镜是由一个或者一个以上单透镜光学元件的透镜组组成，其中所述单透镜光学元件具一个或一个以上表面为球形表面或者非球形表面。

3.根据权利要求2所述的光谱成像装置，其特征在于：所述折射校正镜与所述狭缝的距离比与所述凸面光栅的距离远。

4.根据权利要求1所述的光谱成像装置，其特征在于：还包括位于所述狭缝与所述探测器之间的场透镜或柱面镜。

5.根据权利要求1所述的光谱成像装置，其特征在于：所述狭缝或所述针孔与所述折射校正镜之间的折叠镜或具有全内反射的棱镜。

6.根据权利要求1-5中任一权利要求所述的光谱成像装置，其特征在于：通过商业光学设计软件优化光谱成像装置中折射校正镜，能够适用紫外(UV)波长、可见光和近红外(VNIR)波长、短红外(SWIR)波长、中红外(NWIR)波长、远红外(LWIR)波长。

7.根据权利要求1所述的光谱成像装置，其特征在于：进一步光学地连接到所述光谱成像装置的分叉光纤，使得光穿过不止一个狭缝进入所述光谱成像仪或摄谱仪。

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