[发明专利]一种光谱成像装置

说明书

本发明涉及一种光谱成像装置，把入射光传递入射狭缝或者针孔上；第二光学组件为折射校正镜，将入射光引导到凹面反射镜上，而反射的光照射到凸面反射衍射光栅上，使得色散的光谱照射到同一凹面反射镜，再穿过同一第二光学组件，经过第二光学组件光聚焦到探测器上，入射狭缝和探测器优选在折射校正镜的中心线的上下对称分布，能够使得入射狭缝部件远离探测面，从而确保一个体积较大的探测器或者其他装在光谱成像系统上的装置没有遮挡入射狭缝部件。

技术领域

本发明涉及一种用于高分辨率超光谱成像仪和色散型摄谱仪的光谱成像系统，具体涉及一种具有较之大多数先前设计更容易实现光谱成像系统高光通量、光栅高衍射效率并且具有优良的光谱和空间成像品质的光学设计的设计

背景技术

光谱仪器是将被研究的光分离出带有一定能量的波长或者波长区域(光谱)，并对每个带有相对强度的波长进行强度测定的装置。分析从物体反射或者由物体发射出的带电磁辐射的光谱可以有助于识别被研究物质的化学成分或者物理性质。依据波长可以决定是哪一种元素，这是光谱的定性分析；而对波长的强度测定，可以得到该元素的含量，这是光谱的定量分析。例如，在环保监测中使用光谱仪器来分析工业烟气中SO2 NO2 NO CO等气体成分含量，另外例如，在拉曼光谱中，物体被激光照射。激光激发研究对象的原子，并且这些原子发射与激光不同的波长的光，将激光的波长与发射出的光的波长进行比较有助于识别物体的化学成分。拉曼光谱和其他激光光谱技术(LIBS)用于分析矿物和地质样品，化学品、生物医药。随着各国对环境保护、资源勘探等领域的重视和关注，光谱成像也是随之成为一种新型的光学成像系统，它可以提供地面目标的二维空间信息(X,Y)和一维光谱信息(nm)，这样极大提高了目标探测的准确度，正确性，扩展了传统探测技术的功能。例如，用于在大气、海洋环境监测，资源勘探，精细农业等高分辨率应用的空间遥感领域，以及可以获取军事上的军事装备、军队部署等各种军事目标信息。

目前用于工业烟气分析、拉曼光谱分析的常规光谱仪器往往相对体积大和重量重，因在高分辨率光谱仪器中一般具有大光学焦距。因此，需要一种光学成像系统，其体积小，同时还能实现高分辨率的要求。所述高分辨率主要指的是光谱分辨率，光谱分辨率提高一般可以通过两个途径：(1)增加光学焦距，(2)增加衍射光栅的条纹数，它们目的都是增大光谱系统的色散，色散大，则相邻波长之间分的越开，光谱分辨率越高。本发明系统设计是通过增加衍射光栅的条纹数来提高光学系统的色散。

图1显示一种“Offner结构”：光线穿过狭缝照射到凹面反射镜，经反射照射到凸面光栅上，经光栅色散后光谱线又照回凹面发射镜，经反射最后光谱聚焦于探测器上。Offner结构常用应用在可见光与红外波段。目前基于“Offner结构”设计的光谱成像仪在高分辨率指标设计下往往体积相对很大，在空间遥感光学系统设计上很难符合对方提出的载荷体积要求。

图2显示一种“Dyson结构”：光线穿过狭缝穿过Dyson透镜，经会聚照射到凹面光栅上，经光栅色散后光谱线又传回Dyson透镜，经会聚最后光谱聚焦于探测器上。Dyson结构常用应用在可见光与红外波段，目前基于“Dyson结构”设计的光谱成像仪设计的体积尽管较小，但光栅刻线低，在美国专利0237657(Warren)中有举例说明光栅刻线在22线/mm。而在高分辨率指标同时要求体积小情况下设计，光栅刻线密度高，高刻线密度的机械刻划光栅制作困难，衍射效率也受到刻划刀尖尺寸限制而不高。而全息方法制作的光栅，槽形通常是正弦形，它在Dyson系统中衍射效率低，降低了对微弱信号接收能力。

因此，需要一种光学成像系统，使其不受衍射光栅制作限制，同时衍射光栅在该光学系统中还具有衍射效率高(大于60％)。

此外其探测器必须放置在紧靠Dyson光学块的地方，在美国专利7609381(Warren)中有举例说明这点。因此，需要一种光学成像系统，其探测器离最近的光学元件的物理间隔更大，从而可以提高与探测器相关的机械设计的灵活性(比如能增加探测器的制冷装置)。