CN113917697A - 一种中波红外编码孔径光谱成像光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种中波红外编码孔径光谱成像光学系统，包括前置望远组、分光光栅、第一数字微镜阵列、合光光栅、第二数字微镜阵列、光阑和探测器；该系统的光路配置为：入射光通过前置望远组准直成平行光入射到分光光栅上；分光光栅对入射的宽波段光束进行色散分光成窄波段光束；经分光光栅反射后的光束，在第一数字微镜阵列上汇聚成像；第一数字微镜阵列对像面光进行编码调制后反射入合光光栅；合光光栅将接收到的光束进行合光重构后，反射入第二数字微镜阵列成像；第二数字微镜阵列对像面图像进行倾斜角度校正后反射，经过光阑后在探测器上成像。该系统结合了色散型和干涉型两种成像光谱仪优势，可实现高光通量和多通道复用。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像技术领域，具体涉及一种双光栅双DMD的中波红外编码孔径光谱成像光学系统，可用于复杂背景下的目标识别、异常目标检测、伪装目标识别等领域。
背景技术
成像光谱技术是一种基于目标的两维几何形态和一维光谱信息进行探测的技术。成像光谱系统根据分光原理，可以分成滤光片式、棱镜色散型、光栅衍射型以及干涉型等。干涉型成像光谱系统具有光谱分辨率和能量利用率高的特点，但由于存在动态部件对精度和安装平台要求很高。色散型成像光谱系统可以看成是一种“单通道”结构，不管是光机扫描式还是推扫式的成像，在某一时刻，某个探测器像元接收到的仅是对应空间位置点特定窄波段的光谱辐射，存在探测器积分时间、系统空间分辨率和系统灵敏度之间，高探测灵敏度与高光谱分辨率相互矛盾和相互制约关系。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的技术问题，提供一种双光栅双DMD的中波红外编码孔径光谱成像光学系统，结合了色散型和干涉型两种成像光谱仪优势，可实现高光通量和多通道复用，不仅能够获得目标的光谱信息，还能针对性调整合适的波段、光谱分辨率、空间分辨率，最大化地利用系统信息采集能力和数据分析能力，提高光谱成像技术在实战平台上的实用化程度。
本发明解决上述技术问题的技术方案如下：一种中波红外编码孔径光谱成像光学系统，包括前置望远组、分光光栅、第一数字微镜阵列、合光光栅、第二数字微镜阵列、光阑和探测器；
该系统的光路配置为：
入射光通过前置望远组准直成平行光入射到分光光栅上；
分光光栅对入射的宽波段光束进行色散分光成窄波段光束，不同波长光线以不同角度出射；
经分光光栅反射后的光束，在第一数字微镜阵列上汇聚成像；
第一数字微镜阵列对像面光进行编码调制后反射入合光光栅；
合光光栅将接收到的光束进行合光重构后，反射入第二数字微镜阵列成像；
第二数字微镜阵列对像面图像进行倾斜角度校正后反射，经过光阑后在探测器上成像。
进一步的，所述第一数字微镜阵列与所述第二数字微镜阵列的反转角度均为±12°；所述分光光栅至所述第一数字微镜阵列所成光路与所述第一数字微镜阵列至所述合光光栅所成光路的光轴夹角为24°；所述合光光栅至第二数字微镜阵列所成光路与所述第二数字微镜阵列至探测器所成光路的光轴夹角为24°。
进一步的，所述分光光栅与和合光光栅均采用口径50mm平面闪耀光栅，光栅刻线为75lp/mm，闪耀波长为4μm，闪耀角为8°38′；
所述分光光栅的法线相对于分光光栅的入射光轴的夹角为6°；波长4μm处一级衍射光束沿所述分光光栅至第一数字微镜阵列所成光路的光轴出射，所述分光光栅的入射光光轴与出射光光轴夹角为29.86°；
所述合光光栅的法线相对于合光光栅的入射光轴的夹角为23.86°；波长4μm处一级衍射光束沿所述合光光栅至第二数字微镜阵列所成光路的光轴出射，所述合光光栅的入射光光轴与出射光光轴夹角为29.86°。
进一步的，该系统工作波段为3.7μm～4.8μm，焦距为150mm，相对孔径为1/4，视场为3.66°×2.98°，探测器分辨率为320×256，像元尺寸为30μm×30μm。
进一步的，所述分光光栅与第一数字微镜阵列之间设置有成像透镜组一，所述第一数字微镜阵列与所述合光光栅之间设置有准直透镜组，所述合光光栅与所述第二数字微镜阵列之间设置有成像透镜组二，所述第二数字微镜阵列与所述光阑之间设置有成像透镜组三；
所述成像透镜组一用于将所述分光光栅的出射光汇聚后在所述第一数字微镜阵列上成像；所述分光光栅位于所述成像透镜组一的入瞳位置；
所述准直透镜组用于将第一数字微镜阵列编码调制后反射的出射光准直成平行光并入射到所述合光光栅上；所述合光光栅位于所述准直透镜组的出瞳位置；
所述成像透镜组二用于将所述合光光栅的出射光汇聚后在所述第二数字微镜阵列上成像；所述成像透镜组二的入瞳位置与所述准直透镜组的出瞳位置重叠；
所述成像透镜组三用于将第二数字微镜阵列经过倾斜角度校正后反射的出射光汇聚并通过所述光阑后在所述探测器上成像。
进一步的，所述准直透镜组为成像透镜组一的倒置结构，与所述成像透镜组一构成对称系统，其倍率为1:1。
进一步的，所述前置望远组为无焦系统，其倍率为3.5倍，所述成像透镜组一、准直透镜组、成像透镜组二和成像透镜组三的焦距均为43mm。
进一步的，所述成像透镜组一和成像透镜组二的后截距不小于80mm。
进一步的，所述前置望远组与所述分光光栅之间还设有折转反射镜，用于将经前置望远组准直后的入射光反射入所述分光光栅。
本发明的有益效果是：该光学系统包含两个中波红外波段的反射型平面光栅、两个数字微镜阵列DMD和多个光学分系统，采用“先分光后调制”光谱编码方案，实现光栅分光-DMD光谱图像编码-光栅合光-DMD倾斜图像校正功能，宽波段光束经光栅一色散后在第一数字微镜阵列DMD1表面呈图谱混叠图像，光栅二将色散分开的窄波段辐射能量重新汇聚在一起，混叠的一维空间维经合光后又被重构恢复，最终在探测器上得到目标每个空间位置的像点，附带每次调制的编码信息，每次成像都是多通道叠加的结果，在保证高光谱分辨率前提下提升了系统的信噪比。
附图说明
图1为本发明实施例提供的光学系统结构示意图；
图2图3为本发明实施例提供的数字微镜阵列DMD的空间位置与坐标关系示意图；
图4为本发明实施例提供的光学系统弥散斑分布图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1～6、前置望远组透镜一至前置望远组透镜六，7、折转反射镜，8、分光光栅，9～15、成像透镜组一透镜一至成像透镜组一透镜七，16、第一数字微镜阵列DMD1，17～23、准直透镜组透镜一至准直透镜组透镜七，24、合光光栅，25～29、成像透镜组二透镜一至成像透镜组二透镜五，30、第二数字微镜阵列DMD2，31～36、成像透镜组三透镜一至成像透镜组三透镜六，37、光阑，38、探测器。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
随着数字微镜器件(Digital Micromirror Device，DMD)、液晶空间光调制器等空间光调制器引入后，结合编码孔径(Coded Aperture)、计算成像等实现手段的编码孔径成像光谱技术成为研究热点。与光栅分光型成像光谱仪相比，编码孔径成像光谱系统仅缺少了狭缝，在光谱维上叠加了原本垂直于狭缝的空间维，在编码孔径表面发生图谱混叠，但在光谱编码之后增加了光谱重构系统和汇聚光学系统，即合光光路，混叠的一维空间维经合光后又被重构恢复，最终在探测器上得到的仍是面目标每个空间位置的像点，且包含了特定的多个光谱通道的能量叠加。编码孔径成像光谱技术结合了色散型和干涉型两种成像光谱仪优势，可实现高光通量和多通道复用，不仅能够获得目标的光谱信息，还能针对性调整合适的波段、光谱分辨率、空间分辨率，最大化地利用系统信息采集能力和数据分析能力，提高光谱成像技术在实战平台上的实用化程度。
如图1～4所示，本发明实施例提供一种双光栅双DMD的中波红外编码孔径光谱成像光学系统。具体的包括：
安装于O1-O2光轴上的前置望远组；安装于O2-O3光轴上的折转反射镜7和分光光栅8；安装于O3-O4光轴上的成像透镜组一和第一数字微镜阵列DMD1 16；安装于O4-O5光轴上的准直透镜组；安装于O5-O6光轴上的合光光栅24和成像透镜组二；安装于O6-O7光轴上的第二数字微镜阵列DMD2 30、成像透镜组三、光阑37和探测器38。
该系统中，各透镜组之间光瞳位置相匹配。安装于O1-O2光轴上的前置望远组出瞳位置与安装于O3-O4光轴上的成像透镜组一入瞳位置重合，在此位置安装起分光作用的分光光栅8，在成像透镜组一焦面上安装第一数字微镜阵列DMD1 16垂直接收像面；准直透镜组出瞳位置与安装于O5-O6光轴上成像透镜组二入瞳位置重合，在此位置安装起合光作用的合光光栅24，成像透镜组二与安装于O6-O7光轴上的成像透镜组三三组合设计，其出瞳位置在探测器前的光阑处，安装于O6-O7光轴的第二数字微镜阵列DMD2 30与O5-O6光轴倾斜24°放置于成像透镜组二像面处，像面上光线经第二数字微镜阵列DMD2 30反射后经安装于O6-O7光轴上成像透镜组三在探测器上成像。
装置中第一数字微镜阵列DMD1 16和第二数字微镜阵列DMD2 30的分辨率为1024×768，微晶单元尺寸为13.68μm×13.68μm，通光孔径为14mm×10.5mm，DMD中微晶单元是以对角线为轴进行翻转，在XY平面内需旋转45°放置，翻转角度为±12°，如图2图3所示。第一数字微镜阵列DMD1 16垂直安装于O3-O4光轴上，第二数字微镜阵列DMD2 30垂直安装于O6-O7光轴上。经成像透镜组一后光束在第一数字微镜阵列DMD1 16上汇聚成像，像面光线经第一数字微镜阵列DMD1 16反射后沿O4-O5光轴出射，O3-O4光轴与O4-O5光轴夹角为24°，第一数字微镜阵列DMD1 16上像面垂直于成像透镜组一，但相对准直系统光轴倾斜24°，经安装于O5-O6光轴上的合光光栅24和成像透镜组二后在安装于O6-O7光轴的第二数字微镜阵列DMD230上成相对O5-O6光轴倾斜24°像，因为O6-O7光轴与O5-O6光轴夹角为24°。所以相对O5-O6光轴倾斜24°像经第二数字微镜阵列DMD2 30反射后，沿O6-O7光轴上垂直出射，此时倾斜像面已被校正，经过安装于O6-O7光轴成像透镜组三后，在探测器上成像。
第一数字微镜阵列DMD1 16作用是对光谱图像进行编码调制，第二数字微镜阵列DMD2 30是校正第一数字微镜阵列DMD1 16上光谱编码后图像以24°反射后经准直透镜和成像透镜组二后所成的倾斜像面，不作为编码调制。
该系统工作波段为3.7μm～4.8μm，焦距为150mm，相对孔径为1/4，视场为3.66°×2.98°，探测器分辨率为320×256，像元尺寸为30μm×30μm。前置望远镜组的倍率为3.5倍，成像透镜组一、准直透镜组、成像透镜组二和成像透镜组三焦距均为43mm。
该系统中分光光栅8和合光光栅24采用口径50mm平面闪耀光栅，光栅刻线为75lp/mm，闪耀波长为4μm，闪耀角为8°38′，入射到分光光栅8上宽波段光束被色散分开，不同波长衍射角度由Bragg光栅方程决定：
d(sinθ±sinθ0)＝kλ,k＝0,±1,±2,....
其中，d是光栅的周期，θ0是入射角，λ为衍射波长，k为衍射级次。当入射光和衍射光在光栅法线同侧时，为“+”号，否则为“-”。权衡衍射效率、透镜组之间空间干涉和整体系统尺寸，确定分光光栅8的法线相对于O2-O3光轴夹角为6°，即入射光束以6°角入射到分光光栅8上，由衍射公式可知，λ＝4.0um处一级衍射光束的衍射角θ＝23.86°，衍射光束沿O3-O4光轴出射，O3-O4光轴与O2-O3光轴夹角为29.86°，合光光栅24的法线相对于O4-O5光轴夹角为23.86°，即入射光束以23.86°角入射到合光光栅24上，由衍射公式可知，λ＝4.0um处一级衍射光束的衍射角θ＝6°，波长4μm处一级衍射光束沿O5-O6光轴出射，与O4-O5光轴夹角为29.86°，合光光栅与分光光栅结构保持对称性，保证经分光光栅后混叠一维空间维光谱图像通过合光光栅后可被重构恢复。
由Bragg光栅方程可知，光栅衍射后3.7um和4.8um波长的一级衍射光束衍射角差为5.22°，即通过分光光栅8后衍射光束角度相对入射光束角度展宽了5.22°。DMD的有效孔径决定了光谱谱面宽度和视场，第一数字微镜阵列DMD1 16接收的是图谱混叠的图像，要保证目标图像二维空间信息和光谱图像信息都能被第一数字微镜阵列DMD1 16完全接收。
准直透镜是成像透镜组一的倒置结构，采用与成像透镜组一完全对称系统，其倍率为1：1，消除了横向色差，保证了准直系统入射到合光光栅24上望远系统平行性。
其中O3-O4光轴与O4-O5光轴、O6-O7光轴与O5-O6光轴夹角均为24°，为保证第一数字微镜阵列DMD1 16两侧的成像透镜组一和准直透镜组、第二数字微镜阵列DMD2 30两侧的成像透镜组二和成像透镜组三在空间上不干涉，将成像透镜组一、成像透镜组二后截距控制在80mm以上。
该系统中前置望远组是具有一定倍率的无焦系统，其目的缩小系统口径，倍率太大会导致入射到光栅上光束角度范围过大，经光栅衍射分光后，角度会更大，增加后续系统像差校正难度，过小后续系统口径又难以减小，权衡后前置望远镜组的倍率为3.5倍，由6片透镜组成；为减小系统体积，在O2-O3光轴上安装折转反射镜7，成像透镜组一与准直透镜组焦距均为43mm，采用的是完全对称系统，倍率为1：1，可以很好消除横向彗差、畸变、垂轴色差，分别由七片透镜组成，属于光阑前置系统，光阑前置量为130mm，后截距为80mm，保证第一数字微镜阵列DMD1 16两边的成像透镜组一和准直透镜组空间上不干涉。通过第一片和第二片透镜进行组合调焦，调焦范围为∞～20mm，调焦量为±3mm。成像透镜组二焦距为43mm，后截距为103.7mm，由五片透镜组成，第三片和第四片透镜组合进行调焦，调焦范围为∞～20mm，调焦量为±2mm。成像透镜组三与成像透镜组二进行组合优化，系统的出瞳位置在探测光阑位置。设计的整个系统的像质如图3所示，0视场弥散斑小于10um，轴外视场小于20um，均小于一个像元尺寸，满足使用要求。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种中波红外编码孔径光谱成像光学系统，其特征在于，包括前置望远组、分光光栅、第一数字微镜阵列、合光光栅、第二数字微镜阵列、光阑和探测器；
该系统的光路配置为：
入射光通过前置望远组准直成平行光入射到分光光栅上；
分光光栅对入射的宽波段光束进行色散分光成窄波段光束，不同波长光线以不同角度出射；
经分光光栅反射后的光束，在第一数字微镜阵列上汇聚成像；
第一数字微镜阵列对像面光进行编码调制后反射入合光光栅；
合光光栅将接收到的光束进行合光重构后，反射入第二数字微镜阵列成像；
第二数字微镜阵列对像面图像进行倾斜角度校正后反射，经过光阑后在探测器上成像。
2.根据权利要求1所述的中波红外编码孔径光谱成像光学系统，其特征在于，所述第一数字微镜阵列与所述第二数字微镜阵列中的微镜单元以对角线为轴进行翻转，且翻转角度均为±12°；所述分光光栅至所述第一数字微镜阵列所成光路与所述第一数字微镜阵列至所述合光光栅所成光路的光轴夹角为24°；所述合光光栅至第二数字微镜阵列所成光路与所述第二数字微镜阵列至探测器所成光路的光轴夹角为24°。
3.根据权利要求1所述的中波红外编码孔径光谱成像光学系统，其特征在于，所述分光光栅与和合光光栅均采用平面闪耀光栅，光栅刻线为75lp/mm，闪耀波长为4μm，闪耀角为8°38′；
所述分光光栅的法线相对于分光光栅的入射光轴的夹角为6°；波长4μm处一级衍射光束沿所述分光光栅至第一数字微镜阵列所成光路的光轴出射，所述分光光栅的入射光光轴与出射光光轴夹角为29.86°；
所述合光光栅的法线相对于合光光栅的入射光轴的夹角为23.86°；波长4μm处一级衍射光束沿所述合光光栅至第二数字微镜阵列所成光路的光轴出射，所述合光光栅的入射光光轴与出射光光轴夹角为29.86°。
4.根据权利要求1所述的中波红外编码孔径光谱成像光学系统，其特征在于，该系统工作波段为3.7μm～4.8μm，焦距为150mm，相对孔径为1/4，视场为3.66°×2.98°，探测器分辨率为320×256，像元尺寸为30μm×30μm。
5.根据权利要求1所述的中波红外编码孔径光谱成像光学系统，其特征在于，所述分光光栅与第一数字微镜阵列之间设置有成像透镜组一，所述第一数字微镜阵列与所述合光光栅之间设置有准直透镜组，所述合光光栅与所述第二数字微镜阵列之间设置有成像透镜组二，所述第二数字微镜阵列与所述光阑之间设置有成像透镜组三；
所述成像透镜组一用于将所述分光光栅的出射光汇聚后在所述第一数字微镜阵列上成像；所述分光光栅位于所述成像透镜组一的入瞳位置；
所述准直透镜组用于将第一数字微镜阵列编码调制后反射的出射光准直成平行光并入射到所述合光光栅上；所述合光光栅位于所述准直透镜组的出瞳位置；
所述成像透镜组二用于将所述合光光栅的出射光汇聚后在所述第二数字微镜阵列上成像；所述成像透镜组二的入瞳位置与所述准直透镜组的出瞳位置重叠；
所述成像透镜组三用于将第二数字微镜阵列经过倾斜角度校正后反射的出射光汇聚并通过所述光阑后在所述探测器上成像。
6.根据权利要求5所述的中波红外编码孔径光谱成像光学系统，其特征在于，所述准直透镜组为成像透镜组一的倒置结构，与所述成像透镜组一构成对称系统，其倍率为1:1。
7.根据权利要求5所述的中波红外编码孔径光谱成像光学系统，其特征在于，所述前置望远组为无焦系统，其倍率为3.5倍，所述成像透镜组一、准直透镜组、成像透镜组二和成像透镜组三的焦距均为43mm。
8.根据权利要求7所述的中波红外编码孔径光谱成像光学系统，其特征在于，所述成像透镜组一和成像透镜组二的后截距不小于80mm。
9.根据权利要求1-8任一项所述的中波红外编码孔径光谱成像光学系统，其特征在于，所述前置望远组与所述分光光栅之间还设有折转反射镜，用于将经前置望远组准直后的入射光反射入所述分光光栅。
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| CN101571421A (zh) * | 2009-06-16 | 2009-11-04 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 一种哈达码变换成像光谱仪 |
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Patent Citations (4)
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|---|---|---|---|---|
| US20090040516A1 (en) * | 2007-08-10 | 2009-02-12 | Honeywell International Inc. | Spectroscopic system |
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