[发明专利]一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学系统

说明书

本发明一种高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学系统，包括：狭缝、准直镜组、棱镜、体相位全息透射光栅和聚焦镜组，孔径光阑位于体相位全息透射光栅上；准直镜组将狭缝出射光准直入射在棱镜和体相位全息透射光栅上，由棱镜和体相位全息透射光栅将准直光进行色散，并经聚焦镜组形成连续色散光谱像投射到像面上。本发明系统采用了高衍射效率的色散元件和高数值孔径设计，使得本发明系统同时具备高光学传输效率和高光通量；本发明系统的光谱分辨率高，成像质量优越，光谱畸变小。

技术领域

本发明属于高光谱成像技术领域，是一种具有高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪的光学系统。

背景技术

具有高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪在植被辐射的日光诱导叶绿素荧光探测等微弱光光谱探测的研究领域具有重要的作用。植物进行物质代谢和能量代谢的基础是光合作用，在太阳光照条件下，光合作用在原初反应、传递吸收光能和电能转换的过程中，会有极小的一部分光能以日光诱导叶绿素荧光(SIF,Solar Induced Fluorescence)形式进行释放，其在植被反射光谱中的占比仅为0.5％-2％。这种微弱的荧光和光合作用有着十分密切的关系，一方面，荧光是光合生产力的直接表征，并与光合速率相互负关联，可指示无胁迫条件下的光合生产力大小。另一方面，荧光特性与植物的受胁迫程度密切相关，可以准确的反映植物对光强、水分、营养环境和病虫害胁迫的忍耐能力以及各类胁迫对植物器官产生的伤害程度，因此荧光被称为植物健康状况和光合作用的“探针”。而传统高光谱成像仪由于光谱分辨率和信噪比的不足，难以满足日光诱导叶绿素荧光的遥感需求。需要进一步发展具有高光通量和高光学性能的超光谱成像探测仪，以满足对其的探测和应用需求，进而提升日光诱导叶绿素荧光在现代植被生态环境研究和精准农业实施中的应用能力。本发明的新型超光谱成像仪光学系统设计将针对以下几个问题进行进一步优化改进：

1、提升系统的光谱分辨率，达到0.3nm以上的光谱分辨率和0.1nm/像元的光谱采样，以满足SIF的特殊探测机理；

2、提升系统的传输效率和数值孔径，实现满足SIF探测所需的高信噪比；

3、在以上前提下，实现光学系统的优越光学性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有高光通量和高光学性能的超光谱成像光谱仪远心光学系统，核心分光器件为棱镜-体相位全息透射光栅，在670nm-780nm的荧光特征观测波段具备0.25的数值孔径、0.3nm的光谱分辨率和小于0.2个像元的光谱畸变。

本发明一种具有高光通量、低光谱畸变和高光学成像质量的超光谱成像仪光学系统，解决技术问题所采用的技术方案如下：包括狭缝、准直镜组、棱镜、体相位全息透射光栅和聚焦镜组，孔径光阑位于体相位全息透射光栅上；准直镜组将狭缝出射光准直入射在棱镜和体相位全息透射光栅上，由棱镜和体相位全息透射光栅将准直光进行色散，并经聚焦镜组形成连续色散光谱像投射到像面上。

本发明的有益效果是：本发明系统采用了高衍射效率的色散元件和高数值孔径设计，使得系统同时具备高光学传输效率和高光通量；本发明系统的光谱分辨率高，成像质量优越，光谱畸变小。

附图说明

图1本发明一种具有高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪的光学系统结构图；

图2本发明一种具有高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学系统中棱镜光谱畸变分析图；

图3本发明一种具有高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪光学系统中光栅光谱畸变分析图；

图4本发明一种具有高光通量、低光谱畸变的超光谱成像仪的光学系统全视场全波段均方根半径点列图；

图5本发明一种具有高光通量和高光学性能的超光谱成像光谱仪的光学系统光谱畸变图。

具体实施方式