CN112461365A - 弯曲狭缝成像光谱仪 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及光谱成像技术领域，涉及一种弯曲狭缝成像光谱仪。本发明通过光纤传像束将前置物镜的直像面传递至弯曲狭缝，不需要前置物镜成弯曲像面与分光装置直接对接，降低了系统复杂程度，同时前置物镜与分光装置结构简单；通过圆弧或近圆弧形的弯曲狭缝，与Offner型分光装置最佳成像圆匹配，实现超长狭缝，沿弧线方向的狭缝可比经典Offner型分光装置的直狭缝增长5～10倍，在体积紧凑的情况下狭缝长度能够突破100mm；同时在不同视场具有一致的光谱响应函数，成像质量优，适用于宽幅、高空间分辨率、中高光谱分辨率的高光谱遥感。

Description

弯曲狭缝成像光谱仪
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，涉及一种弯曲狭缝成像光谱仪。
背景技术
上世纪80年代，随着对地观测应用的发展需要，成像光谱技术兴起。它是综合了空间成像技术和光谱成像技术的新兴领域，极大地拓宽了人们在航天遥感领域、农林资源探测、矿物资源与地质勘探、军事侦测、生物医疗等方面的应用范围。
成像光谱仪由前置物镜和分光装置构成，可分为色散型、干涉型等。传统的色散型成像光谱仪由前置物镜直接成像至狭缝，狭缝是分光装置物面，经过狭缝的光线再由分光装置分光成像。现有结构在直狭缝长度较短时能够很好的满足仪器指标要求，但是对于需满足宽幅、高空间分辨率要求的长狭缝系统而言，存在较大像差且光谱图像易失真。
为实现宽幅，通常采用视场拼接的方式，将长狭缝系统分为多个中短狭缝系统拼接而成，但拼接后的系统结构复杂，体积庞大。而星载成像光谱仪一般对仪器的重量、体积等几何物理量要求较高，过大的体积和重量导致仪器的生产、制造、发射等成本急剧增加。
现有的成像光谱仪中，多为中短狭缝系统，均采用直狭缝，狭缝长度都在30mm以内，狭缝长度的增加会使光学系统像差迅速增大，仅凭单台分光系统难以满足宽幅和高空间分辨率的应用需求，狭缝长度超过100mm的成像光谱仪鲜有报道。上世纪80年代末，Wynne提出在一比一成像的Offner中继系统中引入弯月形透镜，可补偿长狭缝时的球差和像散，实现较好的成像质量。在开启对Offner型成像光谱仪的研究之后，不少学者又进一步发展和完善了Offner-Wynne型成像光谱仪的理论，它能够获得比经典Offner分光装置长的狭缝。但弯月镜的引入带来的新问题是，在弯月镜表面制作光栅成本高；弯月镜表面入射角大，会使成像光谱仪产生偏振。因此亟需提出一种结构简单、体积紧凑、狭缝长的成像光谱仪以满足航天遥感应用中对宽幅、高空间分辨率的需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种同时具备狭缝长、结构简单、体积紧凑、成像质量优等特点的弯曲狭缝成像光谱仪光学系统，适用于宽幅、高空间分辨率、中高光谱分辨率的高光谱遥感。
为了解决上述技术问题，本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种弯曲狭缝成像光谱仪，包括前置物镜、光纤传像束、弯曲狭缝、Offner型分光装置、焦平面探测器；
前置物镜对目标场景成像，光纤传像束将前置物镜所成直线形像传递至弯曲狭缝，所述弯曲狭缝形状为圆弧或近圆弧形，光线经弯曲狭缝进入Offner型分光装置，由Offner型分光装置分光成像至焦平面探测器上。
优选的，所述前置物镜为透射式物镜、反射式物镜或折反式物镜。
优选的，所述Offner型分光装置包括凹球面反射镜和凸球面光栅，所述凹球面反射镜和凸球面光栅同轴设置，从弯曲狭缝入射的光线经球面反射镜反射后，光线以会聚光束入射到所述凸球面光栅上进行光谱分光，再由所述凹球面反射镜将分光后的光纤成像至焦平面探测器完成光谱成像。
优选的，所述光纤传像束入射端面排列为直线形，与前置物镜所成像重合，所述光纤传像束出射端面排列为圆弧形，与弯曲狭缝重合。
优选的，所述弯曲狭缝在与Offner型分光装置的最佳成像圆视场重合或在其附近，所述弯曲狭缝的圆弧圆心设置在所述Offner型分光装置的光轴上或光轴附近。
优选的，当Offner型分光装置凹球面反射镜半径为R1，凸球面光栅曲率半径为R2，Offner型分光装置最佳圆视场半径为r，
Figure BDA0002790950710000031
所述弯曲狭缝为半径为rs的圆弧或为处于半径为r1和r2两段圆弧之间的近圆弧曲线，其中r1＝0.8r，r2＝1.2r，r1≤rs≤r2。
优选的，所述前置物镜和Offner型分光装置的数值孔径相同，光纤传像束的数值孔径大于等于前置物镜的数值孔径；所述光纤传像束的光纤纤芯直径范围为5～50μm。
优选的，所述凹球面反射镜与凸球面光栅的曲率半径之比为1.9:1～2.2:1，球心间距小于0.1R2。
优选的，在焦平面探测器上所成谱线形状与弯曲狭缝形状一致，通过映射变换算法将其变换为与地面探测像素对应的直线形谱线，映射关系为将圆弧形谱线所在方程
Figure BDA0002790950710000032
变换至直谱线所在方程
Figure BDA0002790950710000033
其中，k为常数。
本发明的有益效果：
本发明通过光纤传像束将前置物镜的直像面传递至弯曲狭缝，不需要前置物镜成弯曲像面与分光装置直接对接，降低了系统复杂程度，同时前置物镜与分光装置结构简单；通过圆弧或近圆弧形的弯曲狭缝，与Offner型分光装置最佳成像圆匹配，实现超长狭缝，沿弧线方向的狭缝可比经典Offner型分光装置的直狭缝增长5～10倍，在体积紧凑的情况下狭缝长度能够突破100mm；同时在不同视场具有一致的光谱响应函数，成像质量优，适用于宽幅、高空间分辨率、中高光谱分辨率的高光谱遥感。
附图说明
图1是本发明的弯曲狭缝成像光谱仪光路三维视图；
图2是本发明的弯曲狭缝成像光谱仪中Offner型分光装置的光路轴向视图；
图3是本发明的弯曲狭缝成像光谱仪中Offner型分光装置1/4物面内的最佳成像圆视场；
图4是本发明的弯曲狭缝成像光谱仪焦平面探测器上所成的弯曲谱线图像与映射变换后的直谱线图像；
图5是本发明实施例提供的一种弯曲狭缝成像光谱仪的调制传递函数曲线。
图6是本发明实施例提供的一种弯曲狭缝成像光谱仪的焦平面探测器所成光谱像与用于校正背景噪声和暗电流噪声的像元范围示意图。
图中标号说明：1、前置物镜、1.1、前置物镜主镜、1.2、前置物镜次镜、1.3、前置物镜三镜、1.4、前置物镜折叠镜、1.5、前置物镜像面；2、光纤传像束；3、弯曲狭缝；4、Offner型分光装置；4.1、凹球面反射镜4.2、凸球面光栅；5、焦平面探测器；6、弯曲谱线图像；7、直谱线图像；
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1-6所示，一种弯曲狭缝成像光谱仪，包括前置物镜、光纤传像束、弯曲狭缝、Offner型分光装置、焦平面探测器；
前置物镜对目标场景成像，光纤传像束将前置物镜所成直线形像传递至弯曲狭缝，所述弯曲狭缝形状为圆弧或近圆弧形，光线经弯曲狭缝进入Offner型分光装置，由Offner型分光装置分光成像至焦平面探测器上。
本发明通过光纤传像束将前置物镜的直像面传递至弯曲狭缝，不需要前置物镜成弯曲像面与分光装置直接对接，降低了系统复杂程度，同时前置物镜与分光装置结构简单；通过圆弧或近圆弧形的弯曲狭缝，与Offner型分光装置最佳成像圆匹配，实现超长狭缝，沿弧线方向的狭缝可比经典Offner型分光装置的直狭缝增长5～10倍，在体积紧凑的情况下狭缝长度能够突破100mm；同时在不同视场具有一致的光谱响应函数，成像质量优，适用于宽幅、高空间分辨率、中高光谱分辨率的高光谱遥感。
本发明满足宽幅、高空间分辨率星载成像光谱仪的需求，突破现有成像光谱仪中直狭缝长度短的局限。
其中，前置物镜所成像长度与弯曲狭缝弧长相同。
所述前置物镜为透射式物镜、反射式物镜或折反式物镜。
所述前置物镜为离轴三反望远物镜，其包括前置物镜主镜、前置物镜次镜、前置物镜三镜、前置物镜折叠镜、前置物镜像面，目标场景成像依次经过前置物镜主镜、前置物镜次镜、前置物镜三镜、前置物镜折叠镜，最后经过前置物镜像面传递至光纤传像束。
所述Offner型分光装置包括凹球面反射镜和凸球面光栅，所述凹球面反射镜和凸球面光栅同轴设置，从弯曲狭缝入射的光线经球面反射镜反射后，光线以会聚光束入射到所述凸球面光栅上进行光谱分光，再由所述凹球面反射镜将分光后的光纤成像至焦平面探测器完成光谱成像。
具体的，所述Offner型分光装置由一块凹球面反射镜和一块凸球面光栅同轴构成；
所述弯曲狭缝在与Offner型分光装置的最佳成像圆视场重合或在其附近，所述弯曲狭缝的圆弧圆心设置在所述Offner型分光装置的光轴上或光轴附近
从弯曲狭缝入射的光线经球面反射镜反射后，以会聚光束的形式入射到所述凸球面光栅上；经过凸球面光栅衍射后实现光谱分光，同时将会聚光束变为发散光束；最后由所述凹球面反射镜将分光后的光束成像至焦平面探测器，实现光谱成像。
所成光谱像为弯曲形状，未充满焦平面探测器，焦平面探测器上有光谱像位置像元灰度值IS减去无光谱像位置像元灰度均值IN，校正背景噪声和暗电流噪声，用以得到降噪的光谱数据。
该成像光谱仪焦平面探测器上存在接收不到光谱像的像元，可利用这部分像元校正背景噪声和暗电流噪声，获得降噪处理的高光谱数据，提高数据保真度。
所述光纤传像束入射端面排列为直线形，与前置物镜所成像重合，所述光纤传像束出射端面排列为圆弧形，与弯曲狭缝重合。
当Offner型分光装置凹球面反射镜半径为R1，凸球面光栅曲率半径为R2，Offner型分光装置最佳圆视场半径为r，
Figure BDA0002790950710000061
所述弯曲狭缝为半径为rs的圆弧或为处于半径为r1和r2两段圆弧之间的近圆弧曲线，其中r1＝0.8r，r2＝1.2r，r1≤rs≤r2。
所述前置物镜和Offner型分光装置的数值孔径相同，光纤传像束的数值孔径大于等于前置物镜的数值孔径；所述光纤传像束的光纤纤芯直径范围为5～50μm。
所述凹球面反射镜与凸球面光栅的曲率半径之比为1.9:1～2.2:1，球心间距小于0.1R2。
在焦平面探测器上所成谱线形状与弯曲狭缝形状一致，通过映射变换算法将其变换为与地面探测像素对应的直线形谱线，映射关系为将圆弧形谱线所在方程
Figure BDA0002790950710000071
变换至直谱线所在方程
Figure BDA0002790950710000072
其中，k为常数。
参阅图2，是本发明的弯曲狭缝成像光谱仪中Offner型分光装置的光路轴向视图。由图可以看出，凹球面反射镜与凸球面光栅同轴，轴线即为Offner型分光装置的光轴，弯曲狭缝的圆弧圆心在该光轴附近，该光轴的附近是指在以光轴为圆心2-5厘米半径范围内。
参阅图3，Offner型分光装置物面内的最佳成像圆视场，弯曲狭缝在物面内的位置与该最佳成像圆视场重合。
参阅图4，Offner型分光装置的成像放大率为1:1，在焦平面探测器上所成弯曲谱线图像与弯曲狭缝的形状一致，进行映射变换后获得直谱线图像，弯曲谱线图像的谱线弧长与直谱线图像的谱线长度相同，弯曲谱线图像中不同波长谱线间隔与直谱线图像中不同波长谱线间隔相同，直谱线图像中不同波长谱线相互平行。
在一个实施例中，参考图1，所提供的弯曲狭缝成像光谱仪相关指标为：
光谱范围：400～1000nm；
系统F数：3；
视场角：10.22°；
焦距：560mm；
狭缝长度：100mm；
光谱分辨率：2nm；
像平面色散宽度：6mm；
探测器像元大小：20μm×20μm；
探测器规模：2560×1280。
该实施例中各光学元件的具体光学参数参见表1，表中“面型”表示各光学面名称；“曲率半径”表示各光学表面曲率半径大小；“距离”表示该光学面顶点到下一个光学面顶点的横向距离。其中凸球面光栅刻线密度为89Lp/mm；光纤纤芯直径为20μm，1根光纤对应一个探测器像元，共采用5000根光纤，光纤长度为20cm；弯曲狭缝弧形半径为53.8mm，弧长为100mm，弯曲狭缝离轴量为55.2mm；焦平面探测器离轴量为36.5mm；。
表1弯曲狭缝成像光谱仪光学参数
Figure BDA0002790950710000081
Figure BDA0002790950710000091
参见图5，它是本实施例供的一种弯曲狭缝成像光谱仪的调制传递函数曲线，该分光装置在探测器奈奎斯特频率25Lp/mm处的调制传递函数大于0.91，十分接近衍射极限，成像质量优良，且不同视场处传函表现一致，表明光谱响应函数的一致性。
参考图6，它是本实施例供的一种弯曲狭缝成像光谱仪的焦平面探测器所成光谱像与用于校正背景噪声和暗电流噪声的像元范围示意图。光谱像位置的每个像元灰度值IS与无光谱像位置的像元灰度均值IN作差，去除背景噪声和暗电流噪声，获得降噪的光谱数据IS-IN。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。

Claims (9)

1.一种弯曲狭缝成像光谱仪，其特征在于，包括前置物镜、光纤传像束、弯曲狭缝、Offner型分光装置、焦平面探测器；
前置物镜对目标场景成像，光纤传像束将前置物镜所成直线形像传递至弯曲狭缝，所述弯曲狭缝形状为圆弧或近圆弧形，光线经弯曲狭缝进入Offner型分光装置，由Offner型分光装置分光成像至焦平面探测器上。
2.如权利要求1所述的弯曲狭缝成像光谱仪，其特征在于，所述前置物镜为透射式物镜、反射式物镜或折反式物镜。
3.如权利要求1所述的弯曲狭缝成像光谱仪，其特征在于，所述Offner型分光装置包括凹球面反射镜和凸球面光栅，所述凹球面反射镜和凸球面光栅同轴设置，从弯曲狭缝入射的光线经球面反射镜反射后，光线以会聚光束入射到所述凸球面光栅上进行光谱分光，再由所述凹球面反射镜将分光后的光纤成像至焦平面探测器完成光谱成像。
4.如权利要求1所述的弯曲狭缝成像光谱仪，其特征在于，所述光纤传像束入射端面排列为直线形，与前置物镜所成像重合，所述光纤传像束出射端面排列为圆弧形，与弯曲狭缝重合。
5.如权利要求4所述的弯曲狭缝成像光谱仪，其特征在于，所述弯曲狭缝在与Offner型分光装置的最佳成像圆视场重合或在其附近，所述弯曲狭缝的圆弧圆心设置在所述Offner型分光装置的光轴上或光轴附近。
6.如权利要求4所述的弯曲狭缝成像光谱仪，其特征在于，当Offner型分光装置凹球面反射镜半径为R1，凸球面光栅曲率半径为R2，Offner型分光装置最佳圆视场半径为r，
Figure FDA0002790950700000011
所述弯曲狭缝为半径为rs的圆弧或为处于半径为r1和r2两段圆弧之间的近圆弧曲线，其中r1＝0.8r，r2＝1.2r，r1≤rs≤r2。
7.如权利要求1所述的弯曲狭缝成像光谱仪，其特征在于，所述前置物镜和Offner型分光装置的数值孔径相同，光纤传像束的数值孔径大于等于前置物镜的数值孔径；所述光纤传像束的光纤纤芯直径范围为5～50μm。
8.如权利要求7所述的弯曲狭缝成像光谱仪，其特征在于，所述凹球面反射镜与凸球面光栅的曲率半径之比为1.9:1～2.2:1，球心间距小于0.1R2。
9.如权利要求7所述的弯曲狭缝成像光谱仪，其特征在于，在焦平面探测器上所成谱线形状与弯曲狭缝形状一致，通过映射变换算法将其变换为与地面探测像素对应的直线形谱线，映射关系为将圆弧形谱线所在方程
Figure FDA0002790950700000021
变换至直谱线所在方程
Figure FDA0002790950700000022
其中，k为常数。
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