CN114719976A - 一种推扫式成像光谱仪及其成像方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种推扫式成像光谱仪及其成像方法。按光线入射方向，成像光谱仪包括前置物镜、用于折叠光线的两片平面反射镜和分光成像系统；前置物镜采用离轴三反结构，反射镜为非球面；分光成像系统采用同心结构的Wynne‑Offner型分光装置，其反射镜为自由曲面，光栅采用了消像差全息凸面光栅，且光栅、弯月透镜和反射镜同心。本发明提供的成像光谱系统具有高光谱分辨率、结构紧凑的特点，较好的控制了全波段全视场像差，其宽视场、高光谱分辨率和易于装调的优点适用于大幅宽、高光谱分辨率的机载遥感应用。

Description

一种推扫式成像光谱仪及其成像方法
技术领域
本发明涉及一种宽视场高分辨率的成像光谱技术，特别涉及一种推扫式成像光谱仪及其成像方法。
背景技术
成像光谱系统是光学成像技术与光谱分析技术的融合，可在获得目标图像空间信息的同时获得其对应光谱信息，是一种综合获取目标信息的光学仪器。目前推扫式成像光谱仪已广泛应用于航空航天遥感、医学检测与诊断、矿产资源勘探、环境监测以及军事侦察与伪装识别等诸多领域。利用航天器在高空对地进行高光谱成像的需求日益增长，这使得对成像光谱仪的视场与光谱分辨率有了更高的要求。
然而，宽视场、高光谱分辨率推扫式成像光谱系统存在诸多亟待解决的技术问题。宽视场要求前置物镜具有较大的视场角且要求分光成像系统具有较长的入射狭缝，但是几何像差尤其是像散随系统视场及入射狭缝的增大而急剧增加；高光谱成像仪的光谱分辨率由分光成像系统决定，高光谱分辨率要求光栅的刻线密度较大，但是光栅分光导致系统光路不对称，系统对几何像差尤其是像散难以进行较好的校正，像散导致子午方向的像点不能很好地聚焦，造成相邻光谱通道之间的串扰，降低了系统的光谱分辨率。因此，在传统的成像光谱系统中，由于几何像差尤其是像散的存在，视场和光谱分辨率难以提高。
同心结构的Offner光谱仪因其高性能和紧凑结构，已被广泛应用于推扫式成像光谱系统。现有文献所报道的成像光谱仪中，高光谱分辨率、长狭缝和结构紧凑通常无法同时满足。参见文献 “Offner成像光谱仪的设计方法”（ [J] .光学学报 , 2010 (4): 1148-1152），报道了传统凸面光栅Offner装置，狭缝长度不足20mm，光学长度大于200mm，光谱分辨率为3nm；中国发明专利CN 109781261 A公布了一种基于Wynne-Offner结构的紧凑型折反式无热化成像光谱仪，体积紧凑，实现了32mm的狭缝长度，但其采用了全浸没式结构不够轻便，光谱分辨率为2.5nm。
发明内容
本发明针对现有技术存在的不足，提供了一种结构紧凑，易于装调，可同时实现宽视场、高光谱分辨率的推扫式成像光谱仪及其成像方法。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案为提供一种推扫式成像光谱仪，它的工作波段为400nm～1000nm；按光线入射方向，依次包括前置物镜、用于折叠光线的两片平面反射镜和分光成像系统；所述前置物镜为离轴三反结构，包括凹面主反射镜、凸面次反射镜和凹面第三反射镜，主反射镜和第三反射镜位于次反射镜的同一侧，三片反射镜的面型均为偶次非球面；所述分光成像系统包括入射狭缝，呈同心结构的弯月透镜、自由曲面反射镜和消像差全息凸面光栅，及成像传感器；所述弯月透镜弯向光线入射方向，内、外表面为球面；入射狭缝和成像传感器位于弯月透镜的内表面一侧，自由曲面反射镜位于弯月透镜的外表面一侧；消像差全息凸面光栅贴合于弯月透镜外表面的中心处；
所述自由曲面反射镜的面型为XY多项式自由曲面，所在坐标系为以自由曲面反射镜的顶点为原点O构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向为垂直纸面向里，所述坐标系中XY多项式自由曲面z(x,y)的方程式为：
Figure 216961DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure 961539DEST_PATH_IMAGE002
是自由曲面反射镜的半径；c是曲率，c=-1.17×10-2；k是二次曲面系数, k=0.387；A1～A20分别是各单项式的系数，其中，-1≤A2≤1，-20≤A3≤20，-20≤A5≤20，-1≤A7≤1，-1≤A9≤1，-2≤A10≤2，-3≤A12≤3，-2≤A14≤2，-1≤A16≤1，-1≤A18≤1，-1≤A20≤1，其余为0。
本发明技术方案还包括一种推扫式成像光谱仪的成像方法，采用本发明提供的推扫式成像光谱仪，成像方法包括如下步骤：
（1）400nm～1000nm的光线入射至采用离轴三反结构的前置物镜，先经凹面主反射镜反射，形成第一反射光；凸面次反射镜将所述第一反射光二次反射，形成第二反射光；凹面第三反射镜设置在次反射镜的反射光路上，用于将所述第二反射光再次反射，形成第三反射光，再通过两片平面反射镜将前置物镜形成的第三反射光的光路折叠，在入射狭缝上形成远心光线；
（2）步骤（1）形成的远心光线从入射狭缝入射，依次经弯月透镜折射，自由曲面反射镜反射后，以会聚光束的形式入射到消像差全息凸面光栅上；
（3）会聚光束经消像差全息凸面光栅衍射后实现光谱分光；
（4）分光后得到的发散光束再依次通过自由曲面反射镜反射，弯月透镜折射后，会聚于成像传感器，实现高光谱成像。
本发明的原理是：采用离轴三反前置物镜，有利于能量的利用，提高像质；将自由曲面应用到同心结构的Wynne-Offner分光成像系统中，利用自由曲面的非旋转对称性以及灵活控制光线方向的优势，校正光栅分光导致系统光路不对称产生的像差，同时采用了消像差全息凸面光栅，进一步校正了系统像差尤其是像散，以同时实现成像光谱系统的宽视场、高光谱分辨率和紧凑的结构。
与现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1.本发明采用离轴三反前置物镜，反射镜的面型均为偶次非球面，像质优，能量利用率高。
2．本发明采用同心结构的Wynne-Offner型分光系统具有紧凑的结构和极高的成像性能，高光谱成像仪的光谱分辨率由分光成像系统决定，与现有的其他分光系统相比，在相同的波段、数值孔径和狭缝长度条件下，本发明的结构能实现更高的光谱分辨率。
3.本发明采用的消像差凸面全息光栅，不仅具有色散作用，还可以利用自身的全息像差补偿由于使用结构引入的几何像差，进一步提高了系统的光谱分辨率。
4.本发明的分光系统使用了自由曲面面型的反射镜，可改善各种球面系统无法平衡的像差，其较高的自由度进一步校正几何像差尤其是像散，提高了系统的光谱分辨率，在宽视场、宽波段、高数值孔径下可实现较高的光谱分辨率。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种推扫式成像光谱仪的结构示意图；
图2是本发明实施例提供的成像光谱仪的消像差凸面全息光栅的记录光路原理示意图；
图3是本发明一个实施例提供的成像光谱仪的全视场全波段传递函数曲线MTF曲线图；
图4是本发明一个实施例提供的全视场全工作波段的点列图；
图5是本发明一个实施例提供的全视场全工作波段的RMS光斑半径曲线图。
图中，11.主反射镜；12. 次反射镜；13. 第三反射镜；21.入射狭缝；22.弯月透镜；23.自由曲面反射镜；24.消像差凸面全息光栅；25.成像传感器；3.平面反射镜。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步的阐述。
实施例1
本实施例提供一种宽视场高分辨率的推扫式成像光谱仪及其成像方法。
参见附图1，它是本实施例提供的成像光谱仪的结构示意图，它包括前置物镜、用于折叠光线的两片平面反射镜3和分光成像系统。具体结构为：前置物镜为离轴三反结构，元件包括一片凹面的主反射镜11、一片凸面的次反射镜12和一片凹面的第三反射镜13，主反射镜11和第三反射镜13位于次反射镜12的同一侧，三片反射镜的面型均为偶次非球面；分光成像系统包括入射狭缝11，呈同心结构的一片弯月透镜22、一片自由曲面反射镜23和消像差全息凸面光栅24）及成像传感器25；弯月透镜弯向光线入射方向，内、外表面均为球面；入射狭缝和成像传感器位于弯月透镜的内表面一侧，自由曲面反射镜位于弯月透镜的外表面一侧；消像差全息凸面光栅贴合于弯月透镜外表面的中心处；弯月透镜的内、外表面的球心与消像差全息凸面光栅的球心重合于光轴。
本实施例提供的成像光谱仪的成像方法，包括如下步骤：
（1）400nm～1000nm的光线入射至采用离轴三反结构的前置物镜，先经凹面主反射镜11反射，形成第一反射光；凸面次反射镜12将所述第一反射光二次反射，形成第二反射光；凹面第三反射镜13设置在次反射镜的反射光路上，用于将所述第二反射光再次反射，形成第三反射光，再通过两片平面反射镜3将第三反射光的光路折叠，在入射狭缝21上形成远心光线；
（2）前置物镜形成的远心光线从入射狭缝21入射，经弯月透镜22折射，自由曲面反射镜23反射后，以会聚光束的形式入射到消像差全息凸面光栅24上；
（3）会聚光束经消像差全息凸面光栅24衍射后实现光谱分光；
（4）分光后得到的发散光束再依次通过自由曲面反射镜23反射，弯月透镜22折射后，会聚于成像传感器25，实现高光谱成像。
本实施例提供的成像光谱仪其性能参数满足表1的条件。
表1
Figure 358498DEST_PATH_IMAGE004
。
前置物镜的三片反射镜均为偶次非球面，其各反射镜在对应坐标系中的偶次非球面的矢高方程式z为：
Figure 126209DEST_PATH_IMAGE005
；
其中，r为透镜的近轴曲率半径；c是曲率；k为圆锥系数，-10≤k≤10； a1～a8分别是各单项式的系数，取值范围为a1=0，-1≤a2≤1，-1≤a3≤1，-1≤a4≤1，a5=0，a6=0，a7=0，a8=0。
分光成像系统主反射镜为5次XY多项式自由曲面，面型表达式z为：
Figure 650773DEST_PATH_IMAGE006
；
其中，
Figure 187540DEST_PATH_IMAGE007
是自由曲面反射镜的半径；曲率c=-1.17×10-2；二次曲面系数k=0.387；
A1～A20分别是各单项式的系数，其中，A2 =-5.1×10-2，A3=10.814，A5=10.707，A7=2.8×10-2，A9=8.4×10-2，A10=1.482，A12=2.767，A14=1.550，A16=8.26×10-3，A18=0.145，A20=2.3×10-2，其余为0。
参见附图2，它是本实施例提供的成像光谱仪的消像差凸面全息光栅的记录光路原理示意图；图中，0为消像差凸面全息光栅的中心，虚线圆为罗兰圆，全息记录点C、D与光轴的夹角分别为δ，γ。消像差全息光栅的有效光栅常数d为：
Figure 178236DEST_PATH_IMAGE008
；
其中，l0 为记录波长，记录点C、D的角度分别为δ，γ，记录角度δ恒大于记录角度γ,记录臂长分别为rC和rD。
本实施例中，记录参数为：δ=3.02°，γ=-1.68°，rC=50.21mm，rD=50.19mm。
本实施例各光学元件（面）满足表2的条件。
表2：
Figure 121659DEST_PATH_IMAGE009
。
本发明的分光成像系统采用了消像差全息凸面光栅，可以平衡系统固有的几何像差特别是像散。消像差全息凸面光栅，依据光程函数理论，以像差系数建立的目标函数优化设计得到。通过调整两个全息记录点在罗兰圆上的位置可以得到符合成像光谱仪参数与性能要求的消像差全息光栅，其两束记录波波源为球面波，光栅槽型为变间距的曲线型。
本发明将自由曲面应用到同心结构的Wynne-Offner分光成像系统中，利用自由曲面的非旋转对称性以及灵活控制光线方向的优势，校正光栅分光导致系统光路不对称产生的像差，同时采用了消像差全息凸面光栅，进一步校正了系统像差尤其是像散，以同时实现成像光谱系统的宽视场、高光谱分辨率和紧凑的结构。
参见附图3，它是本实施例提供的成像光谱仪的全波段传递函数MTF曲线图；图中，（a）图，（b）图，（c）图，（d）图分别是本实施例提供的成像光谱仪在波长分别为400nm、600nm、800nm、1000nm对应像面上的所有视场传递函数MTF曲线。由图3可知，在67lp/mm下400nm到1000nm工作波段全视场的光学传递函数均大于0.3，曲线平滑紧凑，说明此系统成像清晰、均匀，系统在全波段以及全视场具有较好的成像质量及分辨率。
参见附图4，它是本实施例提供的成像光谱仪在全视场全工作波段的点列图。由图4可知，在全视场全工作波段中，子午和弧矢方向光斑均匀，系统的像差尤其是像散得到了较好的校正，能量集中，满足使用要求。
参见附图5，它是本实施例提供的成像光谱仪RMS光斑半径随波长变化的曲线图。曲线（a）是系统不同视场的RMS半径，直线（b）是衍射极限下的RMS半径。由图5可知，在全视场全工作波段中，系统的RMS均方根光斑半径小于3.5μm，且小于衍射极限RMS半径，能量集中，提供了极高的分辨率。
结果证明，本发明提供的成像光谱仪系统，其工作F数可达3，狭缝长度可达40mm，工作波段400nm到1000nm，视场角可达23°，光谱分辨率优于1nm。在紧凑的结构下，全工作波段、全视场的光学传递函数均大于0.3，成像质量较好，满足机载光谱成像系统宽视场、高光谱分辨率和小型化要求。

Claims (2)

1.一种推扫式成像光谱仪，其特征在于：它的工作波段为400nm～1000nm；按光线入射方向，依次包括前置物镜、用于折叠光线的两片平面反射镜（3）和分光成像系统；所述前置物镜为离轴三反结构，包括凹面主反射镜（11）、凸面次反射镜（12）和凹面第三反射镜（13），主反射镜（11）和第三反射镜（13）位于次反射镜（12）的同一侧，三片反射镜的面型均为偶次非球面；所述分光成像系统包括入射狭缝（21），呈同心结构的弯月透镜（22）、自由曲面反射镜（23）和消像差全息凸面光栅（24），及成像传感器（25）；所述弯月透镜（22）弯向光线入射方向，内、外表面为球面；入射狭缝（21）和成像传感器（25）位于弯月透镜的内表面一侧，自由曲面反射镜（23）位于弯月透镜的外表面一侧；消像差全息凸面光栅（24）贴合于弯月透镜（22）外表面的中心处；
所述自由曲面反射镜的面型为XY多项式自由曲面，所在坐标系为以自由曲面反射镜的顶点为原点O构建的笛卡尔空间直角坐标系，光线入射方向为Z轴正方向，Y轴正方向向上，X轴正方向为垂直纸面向里，所述坐标系中XY多项式自由曲面z(x,y)的方程式为：
Figure DEST_PATH_IMAGE001
；
其中，
Figure DEST_PATH_IMAGE002
是自由曲面反射镜的半径；c是曲率，c=-1.17×10-2；k是二次曲面系数, k=0.387；A1～A20分别是各单项式的系数，其中，-1≤A2≤1，-20≤A3≤20，-20≤A5≤20，-1≤A7≤1，-1≤A9≤1，-2≤A10≤2，-3≤A12≤3，-2≤A14≤2，-1≤A16≤1，-1≤A18≤1，-1≤A20≤1，其余为0。
2.一种推扫式成像光谱仪的成像方法，其特征在于采用权利要求1所述的推扫式成像光谱仪，成像方法包括如下步骤：
（1）400nm～1000nm的光线入射至采用离轴三反结构的前置物镜，先经凹面主反射镜（11）反射，形成第一反射光；凸面次反射镜（12）将所述第一反射光二次反射，形成第二反射光；凹面第三反射镜（13）设置在次反射镜的反射光路上，用于将所述第二反射光再次反射，形成第三反射光，再通过两片平面反射 镜（3）将前置物镜形成的第三反射光的光路折叠，在入射狭缝（21）上形成远心光线；
（2）步骤（1）形成的远心光线从入射狭缝（21）入射，依次经弯月透镜（22）折射，自由曲面反射镜（23）反射后，以会聚光束的形式入射到消像差全息凸面光栅（24）上；
（3）会聚光束经消像差全息凸面光栅（24）衍射后实现光谱分光；
（4）分光后得到的发散光束再依次通过自由曲面反射镜（23）反射，弯月透镜（22）折射后，会聚于成像传感器（25），实现高光谱成像。
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