CN110319932A - 一种高光谱成像光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高光谱成像光学系统，所述系统包括前置望远物镜系统、平板玻璃交错双狭缝、曲面棱镜光谱仪系统和面阵探测器，前置望远镜系统构成像方远心光路，光阑位于主镜上；平板玻璃交错双狭缝采用平板玻璃光刻而成；曲面棱镜光谱仪系统采用基于Offner中继结构的曲面棱镜色散型方案；经过平板玻璃交错双狭缝的任意一条光线进入所述曲面棱镜光谱仪系统后按照波长空间分离，分离后的光束再经所述曲面棱镜光谱仪系统的曲面棱镜和球面成像系统处理后将光谱分离的光线成像到所述面阵探测器的靶面。上述系统能够大为降低整体结构复杂性，大大降低色散型光谱成像系统的体积、质量，使结构更加紧凑、轻便，并提高系统的整体性能。
Description
技术领域
本发明涉及光谱仪技术领域，尤其涉及一种高光谱成像光学系统。
背景技术
光谱成像技术以物质的光谱分析理论为基础，将光谱和成像技术相结合，在成像过程中，以纳米级的光谱分辨率，获得地物几十或几百个波段的连续光谱信息，实现了目标空间信息、辐射信息、光谱信息的同步获取形成三维数据立方体。可直接反映出被观测物体的几何影像和理化信息，实现对目标特性的综合探测感知与识别，极大地扩展了遥感探测技术的目标识别、监测能力，具有其它遥感技术不可取代的优势，被广泛应用于资源勘探、环境和灾害监测、刑事物证鉴定等各种领域。与传统的遥感技术相比，高光谱成像技术具有宽的工作谱段范围，谱段数多，这就对高光谱成像光学系统提出了更高的要求，而一般的高光谱成像系统都分为望远物镜和光谱成像系统两个部分，其中光谱成像系统是整个仪器的核心，其分光方式直接影响系统的光机结构复杂性和整个体积质量，按照分光方式的不同高光谱成像仪主要分为棱镜/光栅色散型、干涉成像型等。
干涉型光谱成像技术是在光路中加入了干涉仪，通过干涉采样结果与光谱特性之间的傅立叶变换关系获取光谱信息，具有多通道、高通量的优点，但是普遍对平台姿态稳定性要求高，光学系统由多部分组成，有运动部件，系统复杂，难于小型化轻量化等缺点，因而在遥感上获取成功的例子并不多。
棱镜分光型成像光谱仪主要是利用不同波长在经过棱镜时，由于折射率的不同会产生不同的偏折角。这样经过物镜成像后，各个谱段的光分别汇聚在像面不同的位置，实现了光谱分离，色散型光谱成像技术由于原理简单，不需要经过其他处理，光谱数据能直接获取，因此在遥感平台获得了广泛的应用，现有技术中的色散型高光谱成像仪，单个狭缝放置在准直镜的前焦点上，经准直镜准直成平行光后利用色散元件分光，最后经过成像镜汇聚到探测器靶面，整个光学系统分为三个部分，系统过于复杂。面对新形势下越来越高的分辨率、信噪比以及大幅宽的探测需求，出现了设计狭缝长度越来越长、狭缝数量不再局限唯一的技术难点，而传统准直再成像的色散型成像光谱仪面对超长、多狭缝要求，光谱仪系统很难获得优良的成像质量，且难以降低整体的体积、质量，无法适应当前轻小型、快速、灵活搭载平台的应用需求。
发明内容
本发明的目的是提供一种高光谱成像光学系统，该系统能够大为降低整体结构复杂性，大大降低色散型光谱成像系统的体积、质量，使结构更加紧凑、轻便，并提高系统的整体性能。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种高光谱成像光学系统，所述系统包括前置望远物镜系统、平板玻璃交错双狭缝、曲面棱镜光谱仪系统和面阵探测器，其中：
所述前置望远镜系统构成像方远心光路，光阑位于主镜上；
所述平板玻璃交错双狭缝采用平板玻璃光刻而成，实现大视场双狭缝的空间错位，目标光束经所述前置望远物镜系统处理后进入所述平板玻璃交错双狭缝；
所述曲面棱镜光谱仪系统采用基于Offner中继结构的曲面棱镜色散型方案，具体包括两个凹面反射镜和一个凸面反射镜的球面成像系统，且三个反射镜共圆心，并在Offner凸面光栅光谱仪的基础上，将衍射光栅替换成曲面棱镜；
经过所述平板玻璃交错双狭缝的任意一条光线进入所述曲面棱镜光谱仪系统后按照波长空间分离，分离后的光束再经所述曲面棱镜光谱仪系统的曲面棱镜和球面成像系统处理后将光谱分离的光线成像到所述面阵探测器的靶面；
所述面阵探测器获取目标一维狭缝的空间信息以及全部光谱信息，并通过平台推扫运动，狭缝遍历整个视场，得到全部二维空间数据，实现三维数据立方体获取。
由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统能够大为降低整体结构复杂性，大大降低色散型光谱成像系统的体积、质量，使结构更加紧凑、轻便，并提高系统的整体性能。
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为本发明实施例提供的高光谱成像光学系统整体结构示意图；
图2为本发明实施例所述平板玻璃交错双狭缝的结构示意图；
图3为本发明实施例所述系统的全色光点列图；
图4为本发明实施例所述系统各波长点列图；
图5为本发明实施例所述系统各波长MTF曲线图。
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。
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1所示为本发明实施例提供的高光谱成像光学系统整体结构示意图，所述系统主要包括前置望远物镜系统1、平板玻璃交错双狭缝2、曲面棱镜光谱仪系统3和面阵探测器4，其中：
所述前置望远镜系统构成像方远心光路，光阑位于主镜上；
所述平板玻璃交错双狭缝2采用平板玻璃光刻而成，实现大视场双狭缝的空间错位，目标光束经所述前置望远物镜系统1处理后进入所述平板玻璃交错双狭缝2；
所述曲面棱镜光谱仪系统3采用基于Offner中继结构的曲面棱镜色散型方案，具体包括两个凹面反射镜和一个凸面反射镜的球面成像系统，且三个反射镜共圆心，并在Offner凸面光栅光谱仪的基础上，将衍射光栅替换成曲面棱镜。该曲面棱镜的出现大大削弱了对平行光路的需求，因曲面棱镜本身的特点，不仅能实现色散分光，同时曲面的加入又能够起到成像的作用，相比传统色散棱镜，曲面棱镜具有以下特点：不需要放置于平行光路中，简化了棱镜色散型光谱仪的准直镜和成像镜系统，能够得到一种紧凑型的光谱仪，前后曲率半径变量的加入，有助于系统整体像差平衡。
经过所述平板玻璃交错双狭缝2的任意一条光线进入所述曲面棱镜光谱仪系统3后按照波长空间分离，分离后的光束再经所述曲面棱镜光谱仪系统3的曲面棱镜和球面成像系统处理后将光谱分离的光线成像到所述面阵探测器4的靶面；
所述面阵探测器4获取目标一维狭缝的空间信息以及全部光谱信息，并通过平台推扫运动，狭缝遍历整个视场，得到全部二维空间数据，实现三维数据立方体获取。
具体实现中，如图2所示为本发明实施例所述平板玻璃交错双狭缝的结构示意图，包括光刻狭缝基板5和胶合平板玻璃6两部分组成，在所述平板玻璃交错双狭缝2的后表面胶合有一平板玻,6，用于解决机械狭缝容易落灰、遮挡成像目标的问题，狭缝处于光刻狭缝基板5的后表面。
该平板玻璃交错双狭缝2在空间错位排布，且利用所述面阵探测器实现无缝拼接成像。本实施例考虑到高信噪比的应用需求，采用双狭缝平行排布的视场设置，利用平台推扫先后获取目标的两副光谱图像，通过同目标的图像叠加达到提高信噪比的目的，具体是采用反射镜将视场分割成两个子视场，在对应各子视场成像位置分别放置探测器接收图像，将接收到的图像拼接起来就实现了大幅宽需求，而且由于不同狭缝交错设置，存在空间错位，避免了反射镜切割中心视场光束的问题。
另外，上述前置望远镜系统1的视场角为1.265度，相对孔径为1/5.8，焦距为2587mm，采用R-C系统结构，像面前加入校正镜能有效矫正慧差、像散，进一步扩大视场。
上述系统的狭缝长度为58mm，数值孔径为0.0735，狭缝宽度为16μm；整个系统的光谱范围为420～900nm，谱段数90个；所述面阵探测器的像元大小为16μm×16μm，奈奎斯特频率为32lp/mm。
如图3所示为本发明实施例所述系统的全色光点列图，可以看出在光谱范围420～900nm，光谱色散长度达到1.414mm。
如图4所示为本发明实施例所述系统各波长点列图，4组图分别对应设计波长420nm，550nm，700nm，900nm，由图4可知：各单色光的弥散斑尺寸均位于1个像元内，能满足空间分辨率的要求。
如图5所示为本发明实施例所述系统各波长MTF曲线图，4组图分别对应对应设计波长420nm，550nm，700nm，900nm，由图5可知：在奈奎斯特频率32lp/mm处各波长MTF在全谱段全视场范围内均接近衍射极限，成像质量良好，满足使用要求。
值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。例如改变光学面的偏心或者倾斜角、面与面之间的距离以及所使用的光学材料等，这些更改和变化不脱离本发明的实质范围。
综上所述，本发明实施例所述系统具有如下优点：
1、采用在汇聚光路中使用曲面棱镜，克服了传统使用两组透镜来分别实现准直、成像功能带来的体积庞大、结构臃肿的缺点，使得整个系统更为紧凑、轻便，适应于便携式使用和快速发展的轻小型搭载平台；
2、前置望远镜系统构成像方远心光路，减少了后置场镜匹配所带来的一系列问题；
3、大视场超长双狭缝相对于光谱仪系统离轴设置，且不同狭缝交错设置，存在空间错位，避免了在像面位置处发生干涉，实现双探测器无缝拼接；
4、双狭缝采用玻璃光刻工艺实现，克服了机械狭缝难以实现多狭缝设置的难点，同时平板玻璃狭缝后表面胶合另一平板玻璃，解决了机械狭缝容易落灰、遮挡成像目标的问题；
5、整个系统进行了一体化的优化设计，提高了系统设计过程中的精度。
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)
1.一种高光谱成像光学系统，其特征在于，所述系统包括前置望远物镜系统、平板玻璃交错双狭缝、曲面棱镜光谱仪系统和面阵探测器，其中：
所述前置望远镜系统构成像方远心光路，光阑位于主镜上；
所述平板玻璃交错双狭缝采用平板玻璃光刻而成，实现大视场双狭缝的空间错位，目标光束经所述前置望远物镜系统处理后进入所述平板玻璃交错双狭缝；
所述曲面棱镜光谱仪系统采用基于Offner中继结构的曲面棱镜色散型方案，具体包括两个凹面反射镜和一个凸面反射镜的球面成像系统，且三个反射镜共圆心，并在Offner凸面光栅光谱仪的基础上，将衍射光栅替换成曲面棱镜；
经过所述平板玻璃交错双狭缝的任意一条光线进入所述曲面棱镜光谱仪系统后按照波长空间分离，分离后的光束再经所述曲面棱镜光谱仪系统的曲面棱镜和球面成像系统处理后将光谱分离的光线成像到所述面阵探测器的靶面；
所述面阵探测器获取目标一维狭缝的空间信息以及全部光谱信息，并通过平台推扫运动，狭缝遍历整个视场，得到全部二维空间数据，实现三维数据立方体获取。
2.根据权利要求1所述高光谱成像光学系统，其特征在于，
在所述平板玻璃交错双狭缝的后表面胶合有一平板玻璃，用于解决机械狭缝容易落灰、异物等遮挡成像目标的问题。
3.根据权利要求1所述高光谱成像光学系统，其特征在于，
所述平板玻璃交错双狭缝在空间错位排布，且利用所述面阵探测器实现无缝拼接成像。
4.根据权利要求1所述高光谱成像光学系统，其特征在于，
所述前置望远镜系统的视场角为1.265度，相对孔径为1/5.8，焦距为2587mm，采用R-C系统结构，像面前加入校正镜能有效矫正慧差、像散，进一步扩大视场。
5.根据权利要求1所述高光谱成像光学系统，其特征在于，
所述系统的狭缝长度为58mm，数值孔径为0.0735，狭缝宽度为16μm；
整个系统的光谱范围为420～900nm，谱段数90个；
所述面阵探测器的像元大小为16μm×16μm，奈奎斯特频率为32lp/mm。
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