CN116046168A - 一种孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及曲面成像领域，具体涉及一种孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法及装置。该方法及装置首先将Offner光栅成像光谱仪的孔径分为至少两部分，一部分用于可见光成像，另一部分用于短波红外成像；另设计变线凸面衍射光栅，变线凸面衍射光栅在可见光成像及短波红外成像两个探测波段获得不同的光谱分辨。本发明可以实现覆盖可见光至短波红外波段的超宽光谱探测，同时获得可见光和短波红外的光谱信息，在可见光和短波红外波段具有均匀的光谱分辨率，并具有较高的成像质量，较小的尺寸和体积。

Description

一种孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法及装置

技术领域

本发明涉及曲面成像领域，具体而言，涉及一种孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法及装置。

背景技术

近些年来随着空间探索的不断深入，诞生在二十世纪八十年代的成像光谱技术，因其能够提供更多的物质信息，所以备受瞩目。色散型光谱仪由于其数据的直观性和系统的稳定性而成为多种仪器的首选方案。Offner结构和Dyson结构是色散型光谱仪中的两种经典结构。其中，Offner结构使用最为广泛。

在成像光谱仪的设计中，探测谱段和光谱分辨率是仪器的两个重要参数。其中，可见光至短波红外波段(400nm-2500nm)是遥感观测的重要谱段，具有丰富的物质特征信息。而能提供可见光波段2nm-5nm光谱分辨和短波红外波段5nm-10nm光谱分辨率的仪器可以满足大部分的遥感探测需求。具有宽谱段探测的成像光谱仪能够提供更丰富的光谱信息，减少仪器数量提高工作效率。光谱分辨率用来描述光谱仪的光谱解析能力，由于不同谱段的物质特性不同，需要不同的分辨能力。

目前，实现宽谱段探测主要有以下几种方式：1.利用棱镜作为色散元件，采用传统的方式在较宽的波段上获得相对较好的结果；2.设计多个光学仪器，通过谱段拼接实现宽谱段探测；3.通过计算光学方法，依靠已获得部分波段，对物质进行推测，进而获得宽谱段计算光谱数据(需要先验信息)。然而，上述方法又存在体积大、质量重、色散非线性严重和数据处理复杂等问题，不满足仪器轻量化、系统化和实时性等要求。其相关术语解释如下：

自由曲面：在设计过程中利用第三个独立轴以创建具有设计非对称特征的光学表面。

光谱仪：以光探测器测量谱线不同波长位置能量强度的装置，构造一般包括汇聚镜头、狭缝、色散系统、成像镜头、光探测器。

其中光谱仪结构为Offner结构，早在上个世纪八十年代Lobb等人应用Offner结构设计光谱仪可以实现系统的小型化和轻量化。将Offner的次镜替换成凸面光栅，在提供折转光路的同时可以实现光的色散。该结构的具体工作方式为：从狭缝出射的光经过主镜反射，光路第一次发生折转到达次镜。次镜替换成凸面光栅后，光在次镜处第二次折转同时由于光栅的作用获得了色散的光，色散后的光达到三镜。色散光在三镜处第三次折转同时汇聚，最终被位于像面处的探测器接收。

现有技术中已有多种实现超宽谱段探测的成型光谱仪技术途径。典型的技术方式有以下几种：

第一种，利用棱镜作为色散元件的技术途径。如图1所示，棱镜是常用的色散元件，在可见光至短波红外波段，大部分的棱镜材料都具有较高的透过率，可以满足超宽谱段探测的需求。然而，如图2所示，由于棱镜材料在不同波长具有不同的折射率，棱镜型成像光谱仪存在色散非线性问题。如图1所示，在设计中，通常需要使用多块不同材料的棱镜进行补偿，以减弱色散非线性对仪器的影响。同时棱镜材料无法满足可见光和短波红外不同光谱分辨率的设计需求，棱镜材料存在色散非线性问题，但其色散能力仍是连续的，无法实现非连续的光谱分辨率设计要求。使用棱镜作为色散元件的成像光谱仪体积质量较大，在对系统体积和重量要求较高的设计中并不是最有效地解决方案。

第二种，使用多个具有不同探测谱段的光学仪器，通过谱段拼接实现超宽谱段探测。该方法通过将超宽探测谱段分解为若干个能够通过现有技术方案实现的窄波段成像光谱仪，这些仪器只负责一定范围的光谱探测，通过多个仪器组合，进而实现整体的超宽谱段探测。在诸多经典的光学仪器上都采用了此类方法，如德国的EnMAP、欧空局的CO2M和美国的OCO-2等遥感仪器。使用该方法，可以有效地降低设计的难度，但增加了系统的复杂性和重量。

第三种，通过计算光学方法，根据已获得部分波段，对物质进行推测，进而获得宽谱段计算光谱数据。该方法将光学仪器与数据处理算法相结合，通过预先构建的丰富数据库，对观测的物质进行信息的预处理。对数据库的物质光谱特征进行分类和整理后，可以根据已有的先验信息对一些谱段进行推测，进而无需通过直接测量，就可以获得宽谱段的探测结果。然而，该方法需要在前期对大量的数据进行处理，需要具有丰富光谱信息的数据库。获得的先验信息是进行光谱数据获得的关键要素，然而在实际测量中，却无法对先验信息进行检验和修正。因此，此类方法的应用还处于研究阶段，并未大量普及使用。

现有的技术方案中，采用棱镜的方法会增加系统体积和重量，存在色散非线性的问题，并且无法实现变光谱分辨率的设计需求。采用多光学系统光谱拼接的方法，本质上仍是对窄探测谱段设计的一种方法，并且会明显增加仪器的数量，使系统的体积重量明显提升。采用计算光学的方法，需要大量的物质光谱数据库进行前期处理，所获得先验信息结论无法在实际探测中检验和修正，数据的准确性和可靠性更依赖于算法的优劣。

以第一种方案为例，利用棱镜作为色散元件的技术途径。棱镜是常用的色散元件，在可见光至短波红外波段，大部分的棱镜材料都具有较高的透过率，可以满足超宽谱段探测的需求。然而，由于棱镜材料在不同波长具有不同的折射率，棱镜型成像光谱仪存在色散非线性问题。在设计中，通常需要使用多块不同材料的棱镜进行补偿，以减弱色散非线性对仪器的影响。同时棱镜材料无法满足可见光和短波红外不同光谱分辨率的设计需求，棱镜材料存在色散非线性问题，但其色散能力仍是连续的，无法实现非连续的光谱分辨率设计要求。使用棱镜作为色散元件的成像光谱仪体积质量较大，在对系统体积和重量要求较高的设计中并不是最有效地解决方案。

以第二种方案为例，该方法通过将超宽探测谱段分解为若干个能够通过现有技术方案实现的窄波段成像光谱仪，这些仪器只负责一定范围的光谱探测，通过多个仪器组合，进而实现整体的超宽谱段探测。在诸多经典的光学仪器上都采用了此类方法，如德国的EnMAP、欧空局的CO2M和美国的OCO-2等遥感仪器。使用该方法，可以有效地降低设计的难度，但增加了系统的复杂性和重量。

以第三种方案为例，该方法将光学仪器与数据处理算法相结合，通过预先构建的丰富数据库，对观测的物质进行信息的预处理。对数据库的物质光谱特征进行分类和整理后，可以根据已有的先验信息对一些谱段进行推测，进而无需通过直接测量，就可以获得宽谱段的探测结果。然而，该方法需要在前期对大量的数据进行处理，需要具有丰富光谱信息的数据库。获得的先验信息是进行光谱数据获得的关键要素，然而在实际测量中，却无法对先验信息进行检验和修正。因此，此类方法的应用还处于研究阶段，并未大量普及使用。

发明内容

本发明实施例提供了一种孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法及装置，以至少解决现有曲面成像系统成像质量低、尺寸和体积大的技术问题。

根据本发明的一实施例，提供了一种孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法，包括以下步骤：

将Offner光栅成像光谱仪的孔径分为至少两部分，一部分用于可见光成像，另一部分用于短波红外成像；

设计变线凸面衍射光栅，变线凸面衍射光栅在可见光成像及短波红外成像两个探测波段获得不同的光谱分辨。

进一步地，根据实际需求将Offner光栅成像光谱仪的孔径分为两部分或多部分，并根据Offner光栅成像光谱仪具体的信噪比计算方法，准确的计算各部分孔径的比例。

进一步地，变线凸面衍射光栅中，不同的孔径部分具有不同的光栅参数，但同孔径内光栅参数相同。

进一步地，变线凸面衍射光栅为在一块共同的基底上加工不同结构参数的凸面衍射光栅，获得不同的可见光和短波红外的光谱分辨率。

进一步地，Offner光栅成像光谱仪为：

物点发出的光线经主镜反射后被凸面光栅衍射，其中一部分光线用于可见光波段的光谱探测，一部分光线用于短波红外波段的光谱探测；衍射光线经三镜反射后汇聚于焦平面，其中短波红外波段经折转镜后，成像于短波焦平面；两个焦面形成的角度和空间距离满足实际的探测器安装要求。

根据本发明的另一实施例，提供了一种孔径复用的超宽谱段自由曲面成像装置，包括：

Offner光栅成像光谱仪及变线凸面衍射光栅；其中：

将Offner光栅成像光谱仪的孔径分为至少两部分，一部分用于可见光成像，另一部分用于短波红外成像；

设计变线凸面衍射光栅，变线凸面衍射光栅在可见光成像及短波红外成像两个探测波段获得不同的光谱分辨。

进一步地，包括两块自由曲面反射镜、一块变线凸面衍射光栅和一块折转镜。

进一步地，系统中自由曲面的设计中采用X-Y polynomial表征曲面；

系统设置狭缝方向为X轴方向，整个系统关于YOZ平面对称，为此X-Ypolynomial中的X奇次项设置为0，优化过程中使用偶次项，具体形式如下：

c是曲率；r是半径；k是二次曲面系数；a_i是单项式的系数。

进一步地，Offner光栅成像光谱仪参数为：

光谱范围：0.4μm-2.5μm；数值孔径：0.167；狭缝长度：10mm；可见光光谱分辨率优于2.7nm，短波红外光谱分辨率优于5nm。

进一步地，可见光波段的凸面衍射光栅使用+1衍射级次，光栅刻划密度为100lines/mm，短波红外波段的凸面衍射光栅使用+1衍射级次，光栅刻划密度为120lines/mm。

一种存储介质，存储介质存储有能够实现上述任意一项孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法的程序文件。

一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法。

本发明实施例中的孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法及装置，首先将Offner光栅成像光谱仪的孔径分为至少两部分，一部分用于可见光成像，另一部分用于短波红外成像；另设计变线凸面衍射光栅，变线凸面衍射光栅在可见光成像及短波红外成像两个探测波段获得不同的光谱分辨。本发明可以实现覆盖可见光至短波红外波段的超宽光谱探测，同时获得可见光和短波红外的光谱信息，在可见光和短波红外波段具有均匀的光谱分辨率，并具有较高的成像质量，较小的尺寸和体积。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为棱镜色散型成像光谱仪图；

图2为棱镜材料的色散特性曲线图；

图3为本发明中超宽谱段自由曲面成像光谱仪示意图；

图4为本发明中孔径复用设计示意图；

图5为本发明中变间距凸面衍射光栅示意图；

图6为本发明中可见光波段0.4μm与1μm的MTF(调制传递函数)曲线图；

图7为本发明中短波红外波段1μm与2.5μm的MTF(调制传递函数)曲线图；

图8为本发明中可见光波段0.4μm与1μm的能量曲线图；

图9为本发明中短波红外波段1μm与2.5μm的能量曲线图。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将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的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例1

本发明以Offner为基础结构，使用一套光学系统实现了超宽谱段和变光谱分率的设计需求。本发明旨在解决上述技术问题，通过孔径复用的方法，设计了覆盖可见光至短波红外波段的自由曲面Offner光栅成像光谱仪。在该结构中，Offner光栅成像光谱仪的孔径被分为对称的两部分，一部分用于可见光成像，另一部分用于短波红外成像。同时，在本发明中，使用了特殊设计的变线凸面衍射光栅，可以在两个探测波段获得不同的光谱分辨。自由曲面校正了系统像差，并使系统的结构和尺寸较小，满足宽谱段、小型化和轻量化的设计需求。相比传统的设计结果，本发明实现了覆盖可见光至短波红外波段的超宽探测谱段的设计，在可见光波段具有优于2.7nm的光谱分辨和短波红外波段优于5nm的光谱分辨率。

鉴于此，本发明提出了一种孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法及系统。在Offner光栅成像光谱仪的基础上，将系统孔径分为两部分，分别用于获得可见光光谱和短波红外光谱信息。在实际的设计中，设计者可以根据系统信噪比要求，合理分配两部分孔径的比例。此外，在本发明中设计了一种特殊的变线凸面衍射光栅，在一块共同的基底上加工不同结构参数的凸面衍射光栅，以获得不同的可见光和短波红外的光谱分辨率。全系统由两块自由曲面反射镜、一块变线凸面衍射光栅和一块折转镜组成。相比于传统的设计结果，该系统仅用一台仪器可以实现覆盖可见光至短波红外波段的超宽光谱探测，同时获得可见光和短波红外的光谱信息，系统在可见光和短波红外波段具有均匀的光谱分辨率，并具有较高的成像质量，较小的尺寸和体积。

本发明技术方案的详细阐述如下：如图3所示，传统Offner光栅成像光谱仪使用凸面衍射光栅作为色散元件，可以在一定的探测范围内提供均匀的光谱分辨率。然而，在实现宽谱段设计时，传统的凸面衍射光栅难以在较宽的谱段内实现较高的衍射效率。因此，通常需要设计两个或多个不同波段的传统Offner光栅成像光谱仪，以实现宽谱段探测。本发明提出的超宽谱段成像光谱仪的关键技术包括：孔径复用方法和变线凸面衍射光栅设计方法。其中，如图4所示，传统的Offner光栅成像光谱仪的孔径为圆形，所有孔径光线均用于一个共同的探测谱段。而本发明所提出的孔径复用方法，可以根据实际需求将孔径分为两部分或多部分，并根据仪器具体的信噪比计算方法，准确的计算各部分孔径的比例。此外，为了匹配孔径复用方法，并在不同波段提供不同的光谱分辨，本发明还提出了特殊的变线凸面衍射光栅。不同于传统的凸面衍射光栅，具有恒定的光栅参数，或其它形式的变线凸面衍射光栅，其光栅参数为变化函数。本发明设计的变线凸面衍射光栅，需要在不同的孔径部分具有不同的光栅参数，但同孔径内光栅参数相同。该方法可以实现，在不同波段提供不同的色散能力，但相同波段具有均匀的光谱分辨率。

此外，由于探测谱段覆盖可见光至短波红外波段，在该系统中，光栅衍射的角度较大。为了满足仪器的小型化和轻量化的设计需求，在本发明中使用了自由曲面反射镜，以校正系统像差。本发明提出的超宽谱段自由曲面成像光谱仪如图3所示，物点发出的光线经主镜反射后被凸面光栅衍射，其中上部分光线用于可见光波段的光谱探测，下部分光线用于短波红外波段的光谱探测。衍射光线经三镜反射后汇聚于焦平面，其中短波红外波段经折转镜后，成像于短波焦平面。两个焦面形成一定的角度和空间距离以满足实际的探测器安装要求。

自由曲面有多种表征形式：大致可以分为参数法和多项式法。参数法主要以非均匀有理B样条(NURBS)为代表；多项式法主要以Zernike polynomial和X-Y polynomial为代表。还有一些其他的表征形式这里不与一一列出，由于光谱仪是对光谱进行分析的光学系统对像质有较高要求，因此需要光学元件表面连续平滑因此选用多项式的表征方式。Zernike polynomial具有较强的面型拟合能力和正交特性，并且每一项都对应一个具体的像差。X-Y polynomial是自由曲面的另一种表征形式，设计过程中用Zernike polynomial的面型需转化成X-Y polynomial表征形式实现加工。因此在本发明自由曲面的设计中直接采用X-Y polynomial表征曲面。

系统设置狭缝方向为X轴方向，因此整个系统关于YOZ平面对称，为此X-Ypolynomial中的X奇次项设置为0，优化过程中只需使用偶次项，具体形式如下：

c是曲率；r是半径；k是二次曲面系数；a_i是单项式的系数。

设计一台，光谱范围：0.4μm-2.5μm；数值孔径：0.167；狭缝长度：10mm；可见光光谱分辨率优于2.7nm，短波红外光谱分辨率优于5nm的光谱仪。在常规设计中，设计者很难使用Offner光栅光谱仪的结构形式，获得该超宽谱段并具有不同的光谱分辨率的设计结果。根据本发明提出的孔径复用和变间距凸面衍射光栅设计方法，将系统的通光孔径均匀的分为两部分，一部分用于可见光波段探测，另一部分用于短波红外波段探测。其中，可见光波段的凸面衍射光栅使用+1衍射级次，光栅刻划密度为100lines/mm，短波红外波段的凸面衍射光栅使用+1衍射级次，光栅刻划密度为120lines/mm，如图4-5所示。

系统调制传递函数曲线如图6和图7所示，系统的能量曲线如图8和图9所示。超宽谱段和变间距光栅的使用，使得系统的像差十分复杂并具有较大的差异性，依赖于自由曲面强大的调节能力可以获得较好的像质，此为自由曲面存在的意义。分别选取可见光波段的0.4μm与1μm和短波红外波段的1μm与2.5μm的MTF和能量曲线，可以观察到全系统MTF均在满足光谱仪系统设计要求，系统的能量集中度均在90％以上，系统具有较好的像质。

本发明的关键点和欲保护点如下：

1.本发明的关键点在于创造性的提出在自由曲面Offner光栅光谱仪中使用孔径复用的方法，该方法可以解决Offner光栅光谱仪无法实现超宽谱段探测和变光谱分辨率的难题。

2.本发明的核心技术在于孔径复用和变光谱分辨率的设计方法。孔径复用技术，使得光学系统单一光瞳可以分为不同探测波段，进而能够实现超宽谱段探测的设计目的。而为了匹配孔径复用方法而设计的变间距凸面衍射光栅，能够在各自波段实现不同的恒定光谱分辨率。这既满足了不同探测波段对不同光谱分辨率的需求，又满足了在各自波段内光谱分辨率不存在线性或非线性变化，为系统标定带来了极大的便利。

本发明以Offner型自由曲面光谱仪为初始结构，为了实现超宽谱段探测和变光谱分辨率的设计目的，提出了孔径复用的设计方法。传统设计中光学孔径只用于单一的探测波段，该波段的宽度决定了系统整体的探测谱段范围。在该设计中，受限于超宽波段色散元件制造和光谱分辨率等问题，设计者无法获得覆盖可见光至短波红外波段的超宽谱段的设计结果。在本发明中，提出了孔径复用的设计方法，创造性的提出了分孔径探测和变光谱分辨率的设计方法，抛弃了传统的单孔径对应单探测波段的方法。可见光波段和短波红外波段需要具有不同的光谱分辨率，本发明通过对色散元件进行分区域设计，以获得了一种特殊的变间距凸面衍射光栅，其在不同探测波段具有不同的光谱分辨率，而在各自的波段内光谱分辨率又恒定不变。孔径复用和变光谱分辨率的设计方法，使得Offner光栅成像光谱仪可以同时满足0.4μm-1μm与1μm-2.5μm双波段的不同光谱探测能力。本发明将其与自由曲面光谱仪相结合，依靠自由曲面的多设计自由度完成系统的复杂像差校正，所设计的超宽谱段自由曲面成像光谱仪，具有4μm-2.5μm的超宽探测谱段，其中0.4μm-1μm波段具有由于2.7nm的光谱分辨，而1μm-2.5μm波段具有优于5nm的光谱分辨。目前，尚未有专利或文献报道可以通过一台Offner光栅成像光谱仪同时实现0.4μm-2.5μm超宽波段不同光谱探测能力的设计结果。

当前，可见光至短波红外波段的超宽谱段探测有以下几种主流方案：1、利用棱镜作为色散元件；2、设计多个光学仪器，通过谱段拼接实现宽谱段探测；3、通过计算光学方法，依靠已获得部分波段，对物质进行推测，进而获得宽谱段计算光谱数据。第一种方案，利用棱镜在可见光至短波红外波段具有高透过率的特点，可以满足超宽谱段探测的需求。然而，棱镜材料的色散特性存在非线性问题，短波长和长波长的光谱分辨率会相差10倍以上，这不仅为仪器标定带来困难，同时也增加了系统的设计困难。在设计中，设计者为了尽可能降低仪器的色散非线性问题，通常会额外增加更多的不同材质棱镜，进行补偿校正。该方法会使得仪器的体积重量较大，不满足仪器轻量化的设计要求。第二种方案，本质上仍是对窄探测波段进行设计，多个仪器组成的超宽谱段探测系统，体积、重量和复杂程度均较大。第三种方案，依靠计算光学算法的特点获得超宽谱段探测结果，该方法需要大量的数据进行模型训练以获得先验信息，同时计算获得光谱信息，无法在实际中得到验证，这限制了此类方法的大范围应用。

本发明设计的出发点在于：1、提出了孔径复用和变光谱分辨率的设计方法，根据Offner光栅光谱仪的结构特点，设计了变间距的凸面衍射光栅，能够分别为可见光波段和短波红外波段提供不同的光谱分辨率。2、孔径复用的方法，不仅可以在本发明介绍的模型中使用，在平面光栅上甚至可以实现更宽的探测波段。本发明针对的是0.4μm-2.5μm的主要遥感探测波段进行研究，故所展示的设计实例也是该波段的设计结果。通过孔径复用和变间距凸面衍射光栅的设计方法，设计可以划分更窄的波段，进而在各自的波段内获得不同的光谱分辨率。

实施例2

一种存储介质，存储介质存储有能够实现上述任意一项孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法的程序文件。

实施例3

一种处理器，处理器用于运行程序，其中，程序运行时执行上述任意一项的孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法。

上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。

在本发明的上述实施例中，对各个实施例的描述都各有侧重，某个实施例中没有详述的部分，可以参见其他实施例的相关描述。

在本申请所提供的几个实施例中，应该理解到，所揭露的技术内容，可通过其它的方式实现。其中，以上所描述的系统实施例仅仅是示意性的，例如单元的划分，可以为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另一点，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口，单元或模块的间接耦合或通信连接，可以是电性或其它的形式。

作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部单元来实现本实施例方案的目的。

另外，在本发明各个实施例中的各功能单元可以集成在一个处理单元中，也可以是各个单元单独物理存在，也可以两个或两个以上单元集成在一个单元中。上述集成的单元既可以采用硬件的形式实现，也可以采用软件功能单元的形式实现。

集成的单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的全部或部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可为个人计算机、服务器或者网络设备等)执行本发明各个实施例方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：U盘、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、移动硬盘、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法，其特征在于，包括以下步骤：

将Offner光栅成像光谱仪的孔径分为至少两部分，一部分用于可见光成像，另一部分用于短波红外成像；

设计变线凸面衍射光栅，变线凸面衍射光栅在可见光成像及短波红外成像两个探测波段获得不同的光谱分辨。

2.根据权利要求1所述的孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法，其特征在于，根据实际需求将Offner光栅成像光谱仪的孔径分为两部分或多部分，并根据Offner光栅成像光谱仪具体的信噪比计算方法，准确的计算各部分孔径的比例。

3.根据权利要求1所述的孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法，其特征在于，变线凸面衍射光栅中，不同的孔径部分具有不同的光栅参数，但同孔径内光栅参数相同。

4.根据权利要求1所述的孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法，其特征在于，变线凸面衍射光栅为在一块共同的基底上加工不同结构参数的凸面衍射光栅，获得不同的可见光和短波红外的光谱分辨率。

5.根据权利要求1所述的孔径复用的超宽谱段自由曲面成像方法，其特征在于，Offner光栅成像光谱仪为：

物点发出的光线经主镜反射后被凸面光栅衍射，其中一部分光线用于可见光波段的光谱探测，一部分光线用于短波红外波段的光谱探测；衍射光线经三镜反射后汇聚于焦平面，其中短波红外波段经折转镜后，成像于短波焦平面；两个焦面形成的角度和空间距离满足实际的探测器安装要求。

6.一种孔径复用的超宽谱段自由曲面成像系统，其特征在于，包括：Offner光栅成像光谱仪及变线凸面衍射光栅；其中：

将Offner光栅成像光谱仪的孔径分为至少两部分，一部分用于可见光成像，另一部分用于短波红外成像；

设计变线凸面衍射光栅，变线凸面衍射光栅在可见光成像及短波红外成像两个探测波段获得不同的光谱分辨。

7.根据权利要求6所述的孔径复用的超宽谱段自由曲面成像系统，其特征在于，包括两块自由曲面反射镜、一块变线凸面衍射光栅和一块折转镜。

8.根据权利要求6所述的孔径复用的超宽谱段自由曲面成像系统，其特征在于，系统中自由曲面的设计中采用X-Y polynomial表征曲面；

系统设置狭缝方向为X轴方向，整个系统关于YOZ平面对称，为此X-Ypolynomial中的X奇次项设置为0，优化过程中使用偶次项，具体形式如下：

c是曲率；r是半径；k是二次曲面系数；a_i是单项式的系数。

9.根据权利要求6所述的孔径复用的超宽谱段自由曲面成像系统，其特征在于，Offner光栅成像光谱仪参数为：

光谱范围：0.4μm-2.5μm；数值孔径：0.167；狭缝长度：10mm；可见光光谱分辨率优于2.7nm，短波红外光谱分辨率优于5nm。

10.根据权利要求6所述的孔径复用的超宽谱段自由曲面成像系统，其特征在于，可见光波段的凸面衍射光栅使用+1衍射级次，光栅刻划密度为100lines/mm，短波红外波段的凸面衍射光栅使用+1衍射级次，光栅刻划密度为120lines/mm。

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