一種緊湊型光柵色散光譜成像儀的製作方法

2023-12-09 15:00:46

一種緊湊型光柵色散光譜成像儀的製作方法
【專利摘要】本發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、狹縫、準直-成像系統、反射光柵及面陣探測器；前置望遠物鏡系統實現對目標成像的功能；狹縫為視場光闌，限制了目標成像範圍；準直-成像系統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後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字信息。本發明採用了共用準直、成像系統的方式，簡化了傳統色散系統的結構。
【專利說明】-種緊湊型光柵色散光譜成像儀

【技術領域】
[0001] 本發明涉及一種緊湊型光柵色散光譜成像儀，屬於遙感【技術領域】。

【背景技術】
[0002] 光譜成像技術W物質的光譜分析理論為基礎，將光譜和成像技術相結合，在成像 過程中，W納米級的光譜解析度，獲得地物幾十或幾百個波段的連續光譜信息，實現了目標 空間信息、福射信息、光譜信息的同步獲取形成H維數據立方體。可直接反映出被觀測物體 的幾何影像和理化信息，實現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 技術的目標識別、監測能力，具有其它遙感技術不可取代的優勢，被廣泛應用於資源勘探、 環境和災害監測、刑事物證鑑定等各種領域。與傳統的遙感技術相比，高光譜成像技術具有 寬的工作譜段範圍，譜段數多。該就對高光譜成像光學系統提出了更高的要求，而一般的高 光譜成像系統都分為前置望遠物鏡和光譜成像系統兩個部分，其中光譜成像系統是整個儀 器的核也，其分光方式直接影響系統的光機結構複雜性和整個體積質量。按照分光方式的 不同高光譜成像儀主要分為稜鏡/光柵色散型、幹涉成像型、計算成像型等。
[0003] 幹涉型光譜成像技術是在光路中加入了幹涉儀，如圖1所示的Sagnac橫向剪切型 光譜成像儀，通過幹涉採樣結果與光譜特性之間的傅立葉變換關係獲取光譜信息，具有多 通道、高通量的優點，但是普遍對姿態穩定性要求高，因而在機載平臺上獲取成功的例子並 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，經過後續的 數據處理重構，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計算出最終的數據立方體，該就為儀器的設計加工帶 來了很大挑戰，容易受到多種因素的幹擾，現階段還都處於實驗室階段。但是由於計算光譜 技術的光譜快速探測、無需掃描、高通量、高穩定度的特點，受到越來越大的關注，是光譜成 像技術的重要發展方向。
[0005] 稜鏡分光型成像光譜儀主要是利用不同波長在經過稜鏡時，由於折射率的不同會 產生不同的偏折角。該樣經過物鏡成像後，各個譜段的光分別匯聚在像面不同的位置，實現 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，同樣經過物鏡成像在像面後，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由於原理簡單，不需要經過其他處理，光譜數據 能直接獲取，因此在遙感平臺獲得了廣泛的應用。
[0006] 對於傳統的色散型高光譜成像儀，色散元件需要工作在準直光路中，目標經過前 置望遠物鏡成像到一次像面狹縫後首先經過準直系統準直後再經過色散元件分光，最後 經過成像系統成像到探測器祀面，整個光學系統分為H個部分，系統過於複雜，難於降低體 積、質量，不能適應輕小型、快速、靈活搭載平臺的應用需求。


【發明內容】

[0007] 本發明技術解決問題；克服現有技術的不足，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，能夠大大降低傳統色散型光譜成像系統的體積、 質量，結構更為緊湊。
[0008]本發明技術解決方案：一種緊湊型光柵色散光譜成像儀，包括前置望遠物鏡系統 (1)、狹縫（2)、準直-成像系統（3)、反射光柵（4)及面陣探測器巧），各部分通過相機整體 結構固連；前置望遠物鏡系統實現對目標成像的功能，將目標成像到狹縫位置，同時為了實 現光瞳匹配，前置望遠物鏡系統（1)設計成像方遠也系統；狹縫（2)為視場光闊，限制了目 標成像範圍，為了避免與最終面陣探測器（5)位置發生幹涉，相對於準直-成像系統（3)應 離軸設置；準直-成像系統（3)為了與前置望遠物鏡系統（1)銜接，是一個物方遠也系統， 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後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字信息；從狹縫（2)像出射光束經過準直-成像系統（3) 準直後入射到反射光柵（4)上，經過反射光柵（4)反射分光後，分離的各譜段平行光再次回 射到準直-成像系統（3)，第二次經過準直-成像系統（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，獲得目標完整的數據立方體。
[0009] -種緊湊型光柵色散光譜成像方法，實現步驟為：
[0010] (1)目標出射光線經過前置望遠物鏡系統，成像到其焦面上，形成目標像；
[0011] 似狹縫限制了目標像的範圍，僅狹縫內光線能夠出射進入準直-成像系統，得到 準直-成像系統的準直，由於狹縫相對於準直-成像系統離軸設置，使得準直後平行光束傾 斜入射反射光柵，此傾斜角度取決與狹縫離軸距離，可W根據實際結構設計需要確定；
[0012] (3)傾斜平行光入射反射光柵，經反射光柵反射分光後，不同於一般色散光譜成像 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；
[0013] (4)準直-成像系統將光柵色散後的各波長平行光成像到面陣探測器上，由於平 行光具有傾斜角度，使得與狹縫位置發生分離；
[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] 與現有技術方案相比，本發明的優點是：
[0016] (1)採用共用的準直、成像系統，克服了傳統分離式使用兩組透鏡來分別實現兩種 功能帶來的體積鹿大、結構膝腫的缺點，使得整個光譜成像儀系統更為緊湊、輕便，適應於 可攜式使用和快速發展的輕小型搭載平臺；
[0017] (2)前置望遠物鏡系統構成像方遠也光路，，減少了後置場鏡匹配所帶來的一系列 問題；
[0018] (3)狹縫相對於準直-成像系統離軸設置，避免了與像面位置發生幹涉。
[0019]總之，本發明採用了共用準直、成像系統的方式，簡化了傳統色散系統的結構。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1為現有技術本幹涉型光譜成像儀示意圖；
[0021] 圖2為現有技術色散型光譜成像儀示意圖；其中a傳統稜鏡色散型光譜成像儀示 意圖，b傳統幹涉色散型光譜成像儀示意圖；
[0022] 圖3為本發明的原理圖；
[0023] 圖4為本發明的光學系統結構圖；
[0024] 圖5為本發明的準直-成像系統設計示意圖 [00巧]圖6為本發明中的全系統全色光點列圖；
[0026] 圖7為本發明中的全系統各波長點列圖；
[0027] 圖8為本發明中的全系統各波長MTF曲線圖。

【具體實施方式】
[0028] 為了更清楚地說明本發明實施例的技術方案，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明的一些實施例，對於本 領域的普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可W根據該些附圖獲得其他 附圖。
[0029] 如圖3、4所示，本發明包括前置望遠物鏡系統1、狹縫2、準直-成像系統3、反射光 柵4及面陣探測器5,各部分通過相機整體結構固連；前置望遠物鏡系統1是一個改進型的 雙高斯系統，實現對目標成像的功能，將目標成像到狹縫2位置，同時為了實現光瞳匹配， 前置望遠物鏡系統1應設計成像方遠也系統；狹縫2為視場光闊，限制了目標成像範圍，為 了避免與最終面陣探測器5位置發生幹涉，相對於準直-成像系統3應離軸設置；準直-成 像系統3 -方面將目標狹縫2的出射光束準直，另外又要將反射4光柵色散後的各波長平 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3銜接，是一個物方遠也系 統；反射光柵4是色散元件，實現對空間目標的光譜分離；面陣探測器5通過光電效應獲取 和記錄數字信息；從狹縫2出射光束經過準直-成像系統3準直後入射到反射光柵4上， 經過反射光柵4反射分光後，分離的各譜段平行光再次回射到準直-成像系統3,第二次經 過準直-成像系統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 整的數據立方體。
[0030] 表1光學系統參數分配
[0031]

【權利要求】
1. 一種緊湊型光柵色散光譜成像儀，其特徵在於：包括前置望遠物鏡系統（1)、狹縫 (2)、準直-成像系統（3)、反射光柵（4)及面陣探測器（5)，各部分通過相機整體結構固連； 前置望遠物鏡系統（1)實現對目標成像的功能，將目標成像到狹縫（2)的位置，同時為了實 現光瞳匹配，前置望遠物鏡系統（1)設計成像方遠心系統；狹縫（2)為視場光闌，限制了目 標成像範圍，為了避免與最終面陣探測器（5)位置發生幹涉，相對於準直-成像系統（3)離 軸設置；準直-成像系統（3)為了與前置望遠物鏡系統（1)銜接，是一個物方遠心系統，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後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字信息；目標出射光線經過前置望遠物鏡系統（1)，成像到 其焦面上，形成目標像；狹縫限制了目標像的範圍，僅狹縫內光線能夠出射進入準直-成像 系統，從狹縫（2)像出射光束經過準直-成像系統（3)準直後入射到反射光柵（4)上，經過 反射光柵（4)反射分光後，分離的各譜段平行光再次回射到準直-成像系統（3)，第二次經 過準直-成像系統（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， 獲得目標完整的數據立方體。
2. -種緊湊型光柵色散光譜成像方法，其特徵在於實現步驟為： (1) 目標出射光線經過前置望遠物鏡系統，成像到其焦面上，形成目標像； (2) 狹縫限制了目標像的範圍，僅狹縫內光線能夠出射進入準直-成像系統，得到準 直-成像系統的準直，由於狹縫相對於準直-成像系統離軸設置，使得準直後平行光束傾斜 入射反射光柵，此傾斜角度取決與狹縫離軸距離，可以根據實際結構設計需要確定； (3) 傾斜平行光入射反射光柵，經反射光柵反射分光後，不同於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； (4) 準直-成像系統將光柵色散後的各波長平行光成像到面陣探測器上，由於平行光 具有傾斜角度，使得與狹縫位置發生分離； (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 優先權日:2014年12月5日
【發明者】方煜, 呂群波, 譚政, 柳青 申請人:中國科學院光電研究院