一種緊湊型光柵色散光譜成像儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種緊湊型光柵色散光譜成像儀，包括前置望遠物鏡系統(tǒng)、狹縫、準直-成像系統(tǒng)、反射光柵及面陣探測器；前置望遠物鏡系統(tǒng)實現(xiàn)對目標成像的功能；狹縫為視場光闌，限制了目標成像范圍；準直-成像系統(tǒng)一方面將目標狹縫像的出射光束準直，另外也將反射光柵色散后的各波長平行光成像到探測器靶面；反射光柵是色散元件，實現(xiàn)對空間目標的光譜分離；面陣探測器通過光電效應獲取和記錄數(shù)字信息。本發(fā)明采用了共用準直、成像系統(tǒng)的方式，簡化了傳統(tǒng)色散系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。
【專利說明】-種緊湊型光柵色散光譜成像儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種緊湊型光柵色散光譜成像儀，屬于遙感【技術(shù)領(lǐng)域】。

【背景技術(shù)】
[0002] 光譜成像技術(shù)W物質(zhì)的光譜分析理論為基礎(chǔ)，將光譜和成像技術(shù)相結(jié)合，在成像 過程中，W納米級的光譜分辨率，獲得地物幾十或幾百個波段的連續(xù)光譜信息，實現(xiàn)了目標 空間信息、福射信息、光譜信息的同步獲取形成H維數(shù)據(jù)立方體?？芍苯臃从吵霰挥^測物體 的幾何影像和理化信息，實現(xiàn)對目標特性的綜合探測感知與識別，極大地擴展了遙感探測 技術(shù)的目標識別、監(jiān)測能力，具有其它遙感技術(shù)不可取代的優(yōu)勢，被廣泛應用于資源勘探、 環(huán)境和災害監(jiān)測、刑事物證鑒定等各種領(lǐng)域。與傳統(tǒng)的遙感技術(shù)相比，高光譜成像技術(shù)具有 寬的工作譜段范圍，譜段數(shù)多。該就對高光譜成像光學系統(tǒng)提出了更高的要求，而一般的高 光譜成像系統(tǒng)都分為前置望遠物鏡和光譜成像系統(tǒng)兩個部分，其中光譜成像系統(tǒng)是整個儀 器的核也，其分光方式直接影響系統(tǒng)的光機結(jié)構(gòu)復雜性和整個體積質(zhì)量。按照分光方式的 不同高光譜成像儀主要分為棱鏡/光柵色散型、干涉成像型、計算成像型等。
[0003] 干涉型光譜成像技術(shù)是在光路中加入了干涉儀，如圖1所示的Sagnac橫向剪切型 光譜成像儀，通過干涉采樣結(jié)果與光譜特性之間的傅立葉變換關(guān)系獲取光譜信息，具有多 通道、高通量的優(yōu)點，但是普遍對姿態(tài)穩(wěn)定性要求高，因而在機載平臺上獲取成功的例子并 不多。
[0004] 計算成像將計算的方法引入成像過程中，一次曝光獲得的目標信息，經(jīng)過后續(xù)的 數(shù)據(jù)處理重構(gòu)，就能獲得目標的空間W及光譜信息。主要包括計算層析光譜成像、編碼孔徑 光譜成像W及光場光譜成像技術(shù)等。但是通過計算成像獲取都不是目標的直接的光譜或空 間信息，都需要進過相應的反演重構(gòu)計算出最終的數(shù)據(jù)立方體，該就為儀器的設(shè)計加工帶 來了很大挑戰(zhàn)，容易受到多種因素的干擾，現(xiàn)階段還都處于實驗室階段。但是由于計算光譜 技術(shù)的光譜快速探測、無需掃描、高通量、高穩(wěn)定度的特點，受到越來越大的關(guān)注，是光譜成 像技術(shù)的重要發(fā)展方向。
[0005] 棱鏡分光型成像光譜儀主要是利用不同波長在經(jīng)過棱鏡時，由于折射率的不同會 產(chǎn)生不同的偏折角。該樣經(jīng)過物鏡成像后，各個譜段的光分別匯聚在像面不同的位置，實現(xiàn) 了光譜分離，如圖2(a)所示。光柵分光則是利用光柵衍射的原理，同一級次的衍射條紋極 大值對應的衍射角與波長有關(guān)，同樣經(jīng)過物鏡成像在像面后，就能獲得所需要的彌散開的 譜線，如圖2(b)所示。色散型光譜成像技術(shù)由于原理簡單，不需要經(jīng)過其他處理，光譜數(shù)據(jù) 能直接獲取，因此在遙感平臺獲得了廣泛的應用。
[0006] 對于傳統(tǒng)的色散型高光譜成像儀，色散元件需要工作在準直光路中，目標經(jīng)過前 置望遠物鏡成像到一次像面狹縫后首先經(jīng)過準直系統(tǒng)準直后再經(jīng)過色散元件分光，最后 經(jīng)過成像系統(tǒng)成像到探測器祀面，整個光學系統(tǒng)分為H個部分，系統(tǒng)過于復雜，難于降低體 積、質(zhì)量，不能適應輕小型、快速、靈活搭載平臺的應用需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本發(fā)明技術(shù)解決問題；克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供了一種緊湊型光柵色散光譜成 像儀，因光線往返，共用準直鏡和成像鏡，能夠大大降低傳統(tǒng)色散型光譜成像系統(tǒng)的體積、 質(zhì)量，結(jié)構(gòu)更為緊湊。
[0008]本發(fā)明技術(shù)解決方案：一種緊湊型光柵色散光譜成像儀，包括前置望遠物鏡系統(tǒng) (1)、狹縫（2)、準直-成像系統(tǒng)（3)、反射光柵（4)及面陣探測器巧），各部分通過相機整體 結(jié)構(gòu)固連；前置望遠物鏡系統(tǒng)實現(xiàn)對目標成像的功能，將目標成像到狹縫位置，同時為了實 現(xiàn)光瞳匹配，前置望遠物鏡系統(tǒng)（1)設(shè)計成像方遠也系統(tǒng)；狹縫（2)為視場光闊，限制了目 標成像范圍，為了避免與最終面陣探測器（5)位置發(fā)生干涉，相對于準直-成像系統(tǒng)（3)應 離軸設(shè)置；準直-成像系統(tǒng)（3)為了與前置望遠物鏡系統(tǒng)（1)銜接，是一個物方遠也系統(tǒng)， 一方面要將目標狹縫像的出射光束準直，另一方面又要將光柵色散后的各波長平行光成像 到面陣探測器（5)祀面；反射光柵（4)是色散元件，實現(xiàn)對空間目標的光譜分離；面陣探測 器（5)通過光電效應獲取和記錄數(shù)字信息；從狹縫（2)像出射光束經(jīng)過準直-成像系統(tǒng)（3) 準直后入射到反射光柵（4)上，經(jīng)過反射光柵（4)反射分光后，分離的各譜段平行光再次回 射到準直-成像系統(tǒng)（3)，第二次經(jīng)過準直-成像系統(tǒng)（3)最終成像到面陣探測器（5)上， 在與狹縫（2)平行方向形成不同譜段的狹縫像，整個面陣探測器（5)對應一行空間目標和 若干光譜通道，通過推掃平臺的運動，獲得目標完整的數(shù)據(jù)立方體。
[0009] -種緊湊型光柵色散光譜成像方法，實現(xiàn)步驟為：
[0010] (1)目標出射光線經(jīng)過前置望遠物鏡系統(tǒng)，成像到其焦面上，形成目標像；
[0011] 似狹縫限制了目標像的范圍，僅狹縫內(nèi)光線能夠出射進入準直-成像系統(tǒng)，得到 準直-成像系統(tǒng)的準直，由于狹縫相對于準直-成像系統(tǒng)離軸設(shè)置，使得準直后平行光束傾 斜入射反射光柵，此傾斜角度取決與狹縫離軸距離，可W根據(jù)實際結(jié)構(gòu)設(shè)計需要確定；
[0012] (3)傾斜平行光入射反射光柵，經(jīng)反射光柵反射分光后，不同于一般色散光譜成像 儀直接入射獨立的成像鏡，此時各波長平行光再次返回入射準直-成像系統(tǒng)；
[0013] (4)準直-成像系統(tǒng)將光柵色散后的各波長平行光成像到面陣探測器上，由于平 行光具有傾斜角度，使得與狹縫位置發(fā)生分離；
[0014] (5)面陣探測器通過光電效應獲取和記錄目標各波長狹縫像的信息。
[0015] 與現(xiàn)有技術(shù)方案相比，本發(fā)明的優(yōu)點是：
[0016] (1)采用共用的準直、成像系統(tǒng)，克服了傳統(tǒng)分離式使用兩組透鏡來分別實現(xiàn)兩種 功能帶來的體積鹿大、結(jié)構(gòu)膝腫的缺點，使得整個光譜成像儀系統(tǒng)更為緊湊、輕便，適應于 便攜式使用和快速發(fā)展的輕小型搭載平臺；
[0017] (2)前置望遠物鏡系統(tǒng)構(gòu)成像方遠也光路，，減少了后置場鏡匹配所帶來的一系列 問題；
[0018] (3)狹縫相對于準直-成像系統(tǒng)離軸設(shè)置，避免了與像面位置發(fā)生干涉。
[0019]總之，本發(fā)明采用了共用準直、成像系統(tǒng)的方式，簡化了傳統(tǒng)色散系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為現(xiàn)有技術(shù)本干涉型光譜成像儀示意圖；
[0021] 圖2為現(xiàn)有技術(shù)色散型光譜成像儀示意圖；其中a傳統(tǒng)棱鏡色散型光譜成像儀示 意圖，b傳統(tǒng)干涉色散型光譜成像儀示意圖；
[0022] 圖3為本發(fā)明的原理圖；
[0023] 圖4為本發(fā)明的光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖；
[0024] 圖5為本發(fā)明的準直-成像系統(tǒng)設(shè)計示意圖 [00巧]圖6為本發(fā)明中的全系統(tǒng)全色光點列圖；
[0026] 圖7為本發(fā)明中的全系統(tǒng)各波長點列圖；
[0027] 圖8為本發(fā)明中的全系統(tǒng)各波長MTF曲線圖。

【具體實施方式】
[0028] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，下面將對實施例描述中所需要使用 的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實施例，對于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動的前提下，還可W根據(jù)該些附圖獲得其他 附圖。
[0029] 如圖3、4所示，本發(fā)明包括前置望遠物鏡系統(tǒng)1、狹縫2、準直-成像系統(tǒng)3、反射光 柵4及面陣探測器5,各部分通過相機整體結(jié)構(gòu)固連；前置望遠物鏡系統(tǒng)1是一個改進型的 雙高斯系統(tǒng)，實現(xiàn)對目標成像的功能，將目標成像到狹縫2位置，同時為了實現(xiàn)光瞳匹配， 前置望遠物鏡系統(tǒng)1應設(shè)計成像方遠也系統(tǒng)；狹縫2為視場光闊，限制了目標成像范圍，為 了避免與最終面陣探測器5位置發(fā)生干涉，相對于準直-成像系統(tǒng)3應離軸設(shè)置；準直-成 像系統(tǒng)3 -方面將目標狹縫2的出射光束準直，另外又要將反射4光柵色散后的各波長平 行光成像到面陣探測器5祀面，同時為了與前置望遠物鏡系統(tǒng)3銜接，是一個物方遠也系 統(tǒng)；反射光柵4是色散元件，實現(xiàn)對空間目標的光譜分離；面陣探測器5通過光電效應獲取 和記錄數(shù)字信息；從狹縫2出射光束經(jīng)過準直-成像系統(tǒng)3準直后入射到反射光柵4上， 經(jīng)過反射光柵4反射分光后，分離的各譜段平行光再次回射到準直-成像系統(tǒng)3,第二次經(jīng) 過準直-成像系統(tǒng)3最終成像到面陣探測器5上，在與狹縫平行方向形成不同譜段的狹縫 像，整個面陣探測器對應一行空間目標和若干光譜通道，通過推掃平臺的運動，獲得目標完 整的數(shù)據(jù)立方體。
[0030] 表1光學系統(tǒng)參數(shù)分配
[0031]

【權(quán)利要求】
1. 一種緊湊型光柵色散光譜成像儀，其特征在于：包括前置望遠物鏡系統(tǒng)（1)、狹縫 (2)、準直-成像系統(tǒng)（3)、反射光柵（4)及面陣探測器（5)，各部分通過相機整體結(jié)構(gòu)固連； 前置望遠物鏡系統(tǒng)（1)實現(xiàn)對目標成像的功能，將目標成像到狹縫（2)的位置，同時為了實 現(xiàn)光瞳匹配，前置望遠物鏡系統(tǒng)（1)設(shè)計成像方遠心系統(tǒng)；狹縫（2)為視場光闌，限制了目 標成像范圍，為了避免與最終面陣探測器（5)位置發(fā)生干涉，相對于準直-成像系統(tǒng)（3)離 軸設(shè)置；準直-成像系統(tǒng)（3)為了與前置望遠物鏡系統(tǒng)（1)銜接，是一個物方遠心系統(tǒng)，一 方面要將目標狹縫像的出射光束準直，另一方面又要將光柵色散后的各波長平行光成像到 面陣探測器（5)靶面；反射光柵（4)是色散元件，實現(xiàn)對空間目標的光譜分離；面陣探測器 (5)通過光電效應獲取和記錄數(shù)字信息；目標出射光線經(jīng)過前置望遠物鏡系統(tǒng)（1)，成像到 其焦面上，形成目標像；狹縫限制了目標像的范圍，僅狹縫內(nèi)光線能夠出射進入準直-成像 系統(tǒng)，從狹縫（2)像出射光束經(jīng)過準直-成像系統(tǒng)（3)準直后入射到反射光柵（4)上，經(jīng)過 反射光柵（4)反射分光后，分離的各譜段平行光再次回射到準直-成像系統(tǒng)（3)，第二次經(jīng) 過準直-成像系統(tǒng)（3)最終成像到面陣探測器（5)上，在與狹縫（2)平行方向形成不同譜段 的狹縫像，整個面陣探測器（5)對應一行空間目標和若干光譜通道，通過推掃平臺的運動， 獲得目標完整的數(shù)據(jù)立方體。
2. -種緊湊型光柵色散光譜成像方法，其特征在于實現(xiàn)步驟為： (1) 目標出射光線經(jīng)過前置望遠物鏡系統(tǒng)，成像到其焦面上，形成目標像； (2) 狹縫限制了目標像的范圍，僅狹縫內(nèi)光線能夠出射進入準直-成像系統(tǒng)，得到準 直-成像系統(tǒng)的準直，由于狹縫相對于準直-成像系統(tǒng)離軸設(shè)置，使得準直后平行光束傾斜 入射反射光柵，此傾斜角度取決與狹縫離軸距離，可以根據(jù)實際結(jié)構(gòu)設(shè)計需要確定； (3) 傾斜平行光入射反射光柵，經(jīng)反射光柵反射分光后，不同于一般色散光譜成像儀直 接入射獨立的成像鏡，此時各波長平行光再次返回入射準直-成像系統(tǒng)； (4) 準直-成像系統(tǒng)將光柵色散后的各波長平行光成像到面陣探測器上，由于平行光 具有傾斜角度，使得與狹縫位置發(fā)生分離； (5) 面陣探測器通過光電效應獲取和記錄目標各波長狹縫像的信息。
【文檔編號】G01J3/443GK104359553SQ201410740739
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年12月5日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月5日
【發(fā)明者】方煜, 呂群波, 譚政, 柳青 申請人:中國科學院光電研究院