[发明专利]一种紧凑型光栅色散光谱成像仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种紧凑型光栅色散光谱成像仪，属于遥感技术领域。

背景技术

光谱成像技术以物质的光谱分析理论为基础，将光谱和成像技术相结合，在成像过程中，以纳米级的光谱分辨率，获得地物几十或几百个波段的连续光谱信息，实现了目标空间信息、辐射信息、光谱信息的同步获取形成三维数据立方体。可直接反映出被观测物体的几何影像和理化信息，实现对目标特性的综合探测感知与识别，极大地扩展了遥感探测技术的目标识别、监测能力，具有其它遥感技术不可取代的优势，被广泛应用于资源勘探、环境和灾害监测、刑事物证鉴定等各种领域。与传统的遥感技术相比，高光谱成像技术具有宽的工作谱段范围，谱段数多。这就对高光谱成像光学系统提出了更高的要求，而一般的高光谱成像系统都分为前置望远物镜和光谱成像系统两个部分，其中光谱成像系统是整个仪器的核心，其分光方式直接影响系统的光机结构复杂性和整个体积质量。按照分光方式的不同高光谱成像仪主要分为棱镜/光栅色散型、干涉成像型、计算成像型等。

干涉型光谱成像技术是在光路中加入了干涉仪，如图1所示的Sagnac横向剪切型光谱成像仪，通过干涉采样结果与光谱特性之间的傅立叶变换关系获取光谱信息，具有多通道、高通量的优点，但是普遍对姿态稳定性要求高，因而在机载平台上获取成功的例子并不多。

计算成像将计算的方法引入成像过程中，一次曝光获得的目标信息，经过后续的数据处理重构，就能获得目标的空间以及光谱信息。主要包括计算层析光谱成像、编码孔径光谱成像以及光场光谱成像技术等。但是通过计算成像获取都不是目标的直接的光谱或空间信息，都需要进过相应的反演重构计算出最终的数据立方体，这就为仪器的设计加工带来了很大挑战，容易受到多种因素的干扰，现阶段还都处于实验室阶段。但是由于计算光谱技术的光谱快速探测、无需扫描、高通量、高稳定度的特点，受到越来越大的关注，是光谱成像技术的重要发展方向。

棱镜分光型成像光谱仪主要是利用不同波长在经过棱镜时，由于折射率的不同会产生不同的偏折角。这样经过物镜成像后，各个谱段的光分别汇聚在像面不同的位置，实现了光谱分离，如图2(a)所示。光栅分光则是利用光栅衍射的原理，同一级次的衍射条纹极大值对应的衍射角与波长有关，同样经过物镜成像在像面后，就能获得所需要的弥散开的谱线，如图2(b)所示。色散型光谱成像技术由于原理简单，不需要经过其他处理，光谱数据能直接获取，因此在遥感平台获得了广泛的应用。

对于传统的色散型高光谱成像仪，色散元件需要工作在准直光路中，目标经过前置望远物镜成像到一次像面狭缝后首先经过准直系统准直后再经过色散元件分光，最后经过成像系统成像到探测器靶面，整个光学系统分为三个部分，系统过于复杂，难于降低体积、质量，不能适应轻小型、快速、灵活搭载平台的应用需求。

发明内容

本发明技术解决问题：克服现有技术的不足，提供了一种紧凑型光栅色散光谱成像仪，因光线往返，共用准直镜和成像镜，能够大大降低传统色散型光谱成像系统的体积、质量，结构更为紧凑。

本发明技术解决方案：一种紧凑型光栅色散光谱成像仪，包括前置望远物镜系统(1)、狭缝(2)、准直-成像系统(3)、反射光栅(4)及面阵探测器(5)，各部分通过相机整体结构固连；前置望远物镜系统实现对目标成像的功能，将目标成像到狭缝位置，同时为了实现光瞳匹配，前置望远物镜系统(1)设计成像方远心系统；狭缝(2)为视场光阑，限制了目标成像范围，为了避免与最终面阵探测器(5)位置发生干涉，相对于准直-成像系统(3)应离轴设置；准直-成像系统(3)为了与前置望远物镜系统(1)衔接，是一个物方远心系统，一方面要将目标狭缝像的出射光束准直，另一方面又要将光栅色散后的各波长平行光成像到面阵探测器(5)靶面；反射光栅(4)是色散元件，实现对空间目标的光谱分离；面阵探测器(5)通过光电效应获取和记录数字信息；从狭缝(2)像出射光束经过准直-成像系统(3)准直后入射到反射光栅(4)上，经过反射光栅(4)反射分光后，分离的各谱段平行光再次回射到准直-成像系统(3)，第二次经过准直-成像系统(3)最终成像到面阵探测器(5)上，在与狭缝(2)平行方向形成不同谱段的狭缝像，整个面阵探测器(5)对应一行空间目标和若干光谱通道，通过推扫平台的运动，获得目标完整的数据立方体。

一种紧凑型光栅色散光谱成像方法，实现步骤为：

(1)目标出射光线经过前置望远物镜系统，成像到其焦面上，形成目标像；