CN116105858A - 基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统 - Google Patents

基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统 Download PDF

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Abstract

一种基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，其包括：狭缝形成装置；转折镜；第一自由曲面反射镜，转折镜使通过入射狭缝射入的光线进入第一自由曲面反射镜；第二自由曲面反射镜，第一自由曲面反射镜将光线反射到第二自由曲面反射镜；衍射光栅，第二自由曲面反射镜将光线反射到衍射光栅，衍射光栅使光线再次进入到第二自由曲面反射镜；第三自由曲面反射镜，第二自由曲面反射镜将光线反射到第三自由曲面反射镜；滤光片，第三自由曲面反射镜将光线反射到滤光片；探测器，穿过滤光片的光线进入到探测器。本发明基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统实现了结构紧凑、成像质量好、高信噪比的系统。本发明可应用于航天航空高光谱成像、实验室高光谱成像、便携式高光谱成像等领域。

Description

基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，特别是涉及一种光谱成像仪的分光系统。
背景技术
相比于传统的可见光、红外、紫外等光学成像技术，光谱成像技术不仅可以获取空间二维信息，还可以获得能够反应目标“指纹”特性的光谱曲线，能够在没有几何形状特征和纹理特征的条件下有效识别目标类型，已被广泛应用于对地遥感观测、天文观测、深空探测、工业物料筛选、食品检测与筛选、刑事侦查等领域。随着光谱成像技术应用的深入推进，对观测波段提出了更高的需求，越来越多应用需要多个谱段的探测数据，比如在刑事侦查领域，采用可见光谱成像仪和近红外短波光谱成像仪能够显著提高在复杂背景下血迹的检出率。光谱成像仪一般由前置望远镜和光谱分光系统组成，分光系统决定了整个光谱成像系统的整体性能、重量和体积，在众多的分光方式中，反射式的闪耀光栅因其具有较宽的光谱范围、较高的光谱分辨率、较高的衍射效率而成为跨波段光谱成像仪主流分光手段。采用光栅分光的光谱成像系统有：凸面光栅的Offner结构、凹面光栅的Dyson结构和平面光栅的Czerny-Turner结构等。
凸面光栅的Offner结构的光谱成像系统结构紧凑、成像质量好，由于其采用全反结构，不受谱段的限制，容易实现跨波段，但凸面光栅加工检测起步较晚，技术成熟度较低，加工检测难度大，成本高；凹面光栅的Dyson结构往往需要借助多个透镜进一步完成系统像差的校正，通常跨波段透镜的透过率较低，系统光能利用率低。
平面光栅加工检测技术起步较早，其工艺成熟、成本较低，是现在最为普遍的分光器件。基于平面光栅器件的光谱成像系统结构有Czerny-Turner结构、离轴三反结构和Schwarzschild结构，Czerny-Turner结构像差、光谱畸变和光谱弯曲较大，无法用于高性能光谱成像系统中，通常用于大F数光谱成像系统；离轴三反结构具有较好的成像质量，但其光栅尺寸大，给光栅制备带来了巨大的难度，因此其光谱成像系统成本较大；而Schwarzschild结构不仅具有较高的成像质量，并且其光栅尺寸较小，非常适用于高性能跨波段光谱成像系统。
发明内容
为解决分光系统性能、体积重量与成本之间的矛盾，本专利在传统平面光栅Schwarzschild构型的基础上，引入自由曲面技术、分区域双闪耀平面光栅和多级光谱抑制滤光片技术，设计出基于自由曲面反射镜的跨波段基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，该系统结构紧凑、成像质量好、高信噪比。
本发明实施例提供一种基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，其包括：
狭缝形成装置，所述狭缝形成装置用于形成入射狭缝；
转折镜；
第一自由曲面反射镜，所述转折镜使通过入射狭缝射入的光线进入第一自由曲面反射镜；
第二自由曲面反射镜，所述第一自由曲面反射镜将光线反射到第二自由曲面反射镜；
衍射光栅，所述光栅为双闪耀角衍射光栅，所述第二自由曲面反射镜将光线反射到衍射光栅，所述衍射光栅使光线再次进入到第二自由曲面反射镜；
第三自由曲面反射镜，所述第二自由曲面反射镜将光线反射到第三自由曲面反射镜；
滤光片，所述第三自由曲面反射镜将光线反射到滤光片；
探测器，穿过所述滤光片的光线进入到所述探测器。
如上所述的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，进一步地，所述第二自由曲面反射镜和所述衍射光栅位置相对地设置，所述狭缝形成装置、转折镜和第一自由曲面反射镜位于所述第二自由曲面反射镜和所述衍射光栅所构成的组合件的第一侧方，所述第三自由曲面反射镜、滤光片和探测器位于所述第二自由曲面反射镜和所述衍射光栅所构成的组合件的第二侧方，所述第一侧方和第二侧方位置大致相对。
如上所述的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，进一步地，所述第一自由曲面反射镜、所述第二自由曲面反射镜和所述第三自由曲面反射镜采用的非旋转对称自由曲面面形方程如式(1)：
Figure BDA0004045819190000031
式(1)中：c＝1/R为中心点的曲率，R为中心点的曲率半径，k为二次系数，Ai为多项式系数，Ei(x,y)为xy多项式，(x，y，z)为自由曲面上点的坐标。
如上所述的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，进一步地，所述衍射光栅为平面衍射光栅；所述衍射光栅包括第一闪耀区域和第二闪耀区域，所述第一闪耀区域具备第一闪耀角，所述第二闪耀区域具备与所述第一闪耀角不相等的第二闪耀角，所述第一闪耀区域的光栅周期和所述第二闪耀区域的光栅周期相同。
如上所述的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，进一步地，所述第一闪耀角为2.35°，所述第二闪耀角为9.43°，所述光栅周期为5.6μm。
如上所述的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，进一步地，所述滤光片为多级衍射光谱抑制滤光片，所述多级衍射光谱抑制滤光片包括第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域镀膜指标为400～800nm透过率＞95％，800～1200nm透过率＜0.01％；所述第二区域镀膜指标为400～600nm透过率＜0.01％，600～1700nm透过率＞95％；所述第三区域镀膜指标为400～1000nm透过率＜0.01％，1000～1700nm透过率＞95％。
本发明基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统由于使用了的平面衍射光栅(双闪耀角)，配合具有像差校正能力的自由曲面反射镜，实现了结构紧凑、成像质量好、高信噪比的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统。本发明可应用于航天航空高光谱成像、实验室高光谱成像、便携式高光谱成像等领域。
附图说明
为了更清楚地说明本发明，下面将对本发明的说明书附图进行描述和说明。显而易见地，下面描述中的附图仅仅说明了本发明的一些示例性实施方案的某些方面，对于本领域普通技术人员来说，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它的附图。
图1为本发明第一种实施例的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统示意图；
图2为本发明第一种实施例的平面衍射光栅示意图；
图3为多级衍射光谱抑制滤光片示意图；
图4a-4c为可见-近红外-短波(0.4～1.7μm)基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统的点列图；
图5a-5c为可见-近红外-短波(0.4～1.7μm)基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统的MTF图；
图6为可见-近红外-短波(0.4～1.7μm)基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统的光谱弯曲图；
图7为可见-近红外-短波(0.4～1.7μm)基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统的光谱畸变图。
附图中，各标号所代表的部件列表如下：
1、狭缝形成装置，
2、转折镜，
3、第一自由曲面反射镜，
4、第二自由曲面反射镜，
5、衍射光栅，
6、第三自由曲面反射镜，
7、滤光片，
8、探测器，
9、第一闪耀区域，
10、第二闪耀区域，
11、第一区域，
12、第二区域，
13、第三区域。
具体实施方式
以下参照附图详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另有说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值等应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。
本公开中使用的“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其它要素的可能。
本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用词典中定义的术语应当被理解为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非本文有明确地这样定义。
对于本部分中未详细描述的部件、部件的具体型号等参数、部件之间的相互关系以及控制电路，可被认为是相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。
图1示出了一种实施例的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，其包括：
狭缝形成装置1，狭缝形成装置1用于形成入射狭缝；入射狭缝的作用是为了得到相干性较好的平行光源。入射狭缝位于前置望远镜焦平面上，是前置望远镜对目标的像；
转折镜2；
第一自由曲面反射镜3，转折镜2使通过入射狭缝射入的光线进入第一自由曲面反射镜3；
第二自由曲面反射镜4，第一自由曲面反射镜3将光线反射到第二自由曲面反射镜4；
衍射光栅5，光栅为双闪耀角衍射光栅5，第二自由曲面反射镜4将光线反射到衍射光栅5，衍射光栅5使光线再次进入到第二自由曲面反射镜4；系统的孔径光阑优选设置在衍射光栅上。结合图1的光路，第一自由曲面反射镜3将光线反射到第二自由曲面反射镜4的第一区域(图1的上部)，衍射光栅5使光线再次进入到第二自由曲面反射镜4(即进入到第二自由曲面反射镜4的第二区域，图1的下部)。
第三自由曲面反射镜6，第二自由曲面反射镜4将光线反射到第三自由曲面反射镜6；
滤光片7，第三自由曲面反射镜6将光线反射到滤光片7；在一种优选的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统实施例中，滤光片7为多级衍射光谱抑制滤光片7，多级衍射光谱抑制滤光片是一种分区域前截止滤光片，每个区域镀制前截薄膜，截止带截止深度为OD4，保证目标谱段信号能够高效率通过，衍射光栅多级次衍射信号能够有效的抑制。在一种具体实施例中，多级衍射光谱抑制滤光片7包括第一区域11、第二区域12和第三区域13，第一区域11镀膜指标为400～800nm透过率＞95％，800～1200nm透过率＜0.01％；第二区域12镀膜指标为400～600nm透过率＜0.01％，600～1700nm透过率＞95％；第三区域13镀膜指标为400～1000nm透过率＜0.01％，1000～1700nm透过率＞95％。滤光片用于抑制衍射光栅多级次衍射带来的杂散光。
探测器8，穿过滤光片7的光线进入到探测器8。在一种具体实施例中，探测器8为跨波段响应的探测器。
在如图1所示的优选实施例中，第二自由曲面反射镜4和衍射光栅5位置相对地设置，第二自由曲面反射镜4和衍射光栅5构成组合件；狭缝形成装置1、转折镜2和第一自由曲面反射镜3位于第二自由曲面反射镜4和衍射光栅5所构成的组合件的第一侧方，第三自由曲面反射镜6、滤光片7和探测器8位于第二自由曲面反射镜4和衍射光栅5所构成的组合件的第二侧方，第一侧方和第二侧方位置大致相对。
在一种优选的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统实施例中，第一自由曲面反射镜3、第二自由曲面反射镜4和第三自由曲面反射镜6采用的非旋转对称自由曲面面形方程如式(1)，使其具有较高的自由度去校正光学系统的像差。
Figure BDA0004045819190000071
式(1)中：c＝1/R为中心点的曲率，R为中心点的曲率半径，k为二次系数，Ai为多项式系数，Ei(x,y)为xy多项式(依次为x,y,x2,xy,y2等，一阶的有两项，二阶的有三项，三阶的有四项)，(x，y，z)为自由曲面上点的坐标。
在一种优选的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统实施例中，衍射光栅5为平面衍射光栅5；衍射光栅5包括第一闪耀区域9和第二闪耀区域10，第一闪耀区域9具备第一闪耀角，第二闪耀区域10具备与第一闪耀角不相等的第二闪耀角，第一闪耀区域9的光栅周期和第二闪耀区域10的光栅周期相同。在一种具体实施例中，第一闪耀角为2.35°，第二闪耀角为9.43°，光栅周期为5.6μm。通过上述结构的衍射光栅可实现一个光栅具备两个闪耀波长，满足跨波段光栅较高衍射效率的要求。
本发明基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统由于使用了的平面衍射光栅(双闪耀角)，配合具有像差校正能力的自由曲面反射镜，实现了结构紧凑、成像质量好、高信噪比的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统。本发明可应用于航天航空高光谱成像、实验室高光谱成像、便携式高光谱成像等领域。
以下结合图1所设计的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，具体为一种可见-近红外-短波(0.4～1.7μm)基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，可用于刑事侦查、物证鉴别领域，光学系统指标列于表1，平面双闪耀光栅具体设计参数列于表2，多级衍射光谱抑制滤光片设计参数列于表3，分光系统设计数据列于表4。
表1光学系统的技术指标
光谱范围 0.4～1.7μm
F数 3.2
探测器 20μm X20μm；640X512
光谱采样间隔 2.6nm
光谱通道数 500
空间通道数 640
MTF ＞0.3
光谱畸变 ＜4μm
光谱弯曲 ＜4μm
表2平面衍射光栅设计参数
光栅周期 5.6μm
闪耀级次 -1
闪耀角 2.35°&9.43°
入射角 22.61°
尺寸 24mmX16mm
表3多级衍射光谱抑制滤光片设计参数
Figure BDA0004045819190000081
表4分光系统设计数据
Figure BDA0004045819190000091
Figure BDA0004045819190000101
上述基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统性能如附图所示，图4a-4c为可见-近红外-短波(0.4～1.7μm)基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统的点列图；图5a-5c为可见-近红外-短波(0.4～1.7μm)基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统的MTF图；图6为可见-近红外-短波(0.4～1.7μm)基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统的光谱弯曲图；图7为可见-近红外-短波(0.4～1.7μm)基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统的光谱畸变图。上述基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统在0.4～1.7μm的可见-近红外-短波波段实现了很好的光谱成像，并且具有较高的信噪比，系统整体体积优于传统Offner结构的光谱成像仪。
应当理解，以上所述的具体实施例仅用于解释本发明，本发明的保护范围并不限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以变更、置换、结合，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，其特征在于，包括：
狭缝形成装置，所述狭缝形成装置用于形成入射狭缝；
转折镜；
第一自由曲面反射镜，所述转折镜使通过入射狭缝射入的光线进入第一自由曲面反射镜；
第二自由曲面反射镜，所述第一自由曲面反射镜将光线反射到第二自由曲面反射镜；
衍射光栅，所述光栅为双闪耀角衍射光栅，所述第二自由曲面反射镜将光线反射到衍射光栅，所述衍射光栅使光线再次进入到第二自由曲面反射镜；
第三自由曲面反射镜，所述第二自由曲面反射镜将光线反射到第三自由曲面反射镜；
滤光片，所述第三自由曲面反射镜将光线反射到滤光片；
探测器，穿过所述滤光片的光线进入到所述探测器。
2.根据权利要求1所述的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，其特征在于，所述第二自由曲面反射镜和所述衍射光栅位置相对地设置，所述狭缝形成装置、转折镜和第一自由曲面反射镜位于所述第二自由曲面反射镜和所述衍射光栅所构成的组合件的第一侧方，所述第三自由曲面反射镜、滤光片和探测器位于所述第二自由曲面反射镜和所述衍射光栅所构成的组合件的第二侧方，所述第一侧方和第二侧方位置大致相对。
3.根据权利要求1所述的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，其特征在于，所述第一自由曲面反射镜、所述第二自由曲面反射镜和所述第三自由曲面反射镜采用的非旋转对称自由曲面面形方程如式(1)：
Figure FDA0004045819180000021
式(1)中：c＝1/R为中心点的曲率，R为中心点的曲率半径，k为二次系数，Ai为多项式系数，Ei(x,y)为xy多项式，(x，y，z)为自由曲面上点的坐标。
4.根据权利要求1所述的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，其特征在于，所述衍射光栅为平面衍射光栅；所述衍射光栅包括第一闪耀区域和第二闪耀区域，所述第一闪耀区域具备第一闪耀角，所述第二闪耀区域具备与所述第一闪耀角不相等的第二闪耀角，所述第一闪耀区域的光栅周期和所述第二闪耀区域的光栅周期相同。
5.根据权利要求4所述的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，其特征在于，所述第一闪耀角为2.35°，所述第二闪耀角为9.43°，所述光栅周期为5.6μm。
6.根据权利要求1所述的基于自由曲面反射镜的跨波段光谱成像仪分光系统，其特征在于，所述滤光片为多级衍射光谱抑制滤光片，所述多级衍射光谱抑制滤光片包括第一区域、第二区域和第三区域，所述第一区域镀膜指标为400～800nm透过率＞95％，800～1200nm透过率＜0.01％；所述第二区域镀膜指标为400～600nm透过率＜0.01％，600～1700nm透过率＞95％；所述第三区域镀膜指标为400～1000nm透过率＜0.01％，1000～1700nm透过率＞95％。
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Inventor after: Guo Shaojun

Inventor after: Shen Tongsheng

Inventor after: Zou Chunrong

Inventor after: Zhou Xiaosong

Inventor after: Cheng Jingxuan

Inventor after: Lu Xiaochi

Inventor before: Guo Shaojun

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Inventor before: Shen Tongsheng

Inventor before: Zou Chunrong

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