一种快照式成像光谱仪

技术领域

本发明涉及成像光谱技术领域，尤其是指一种快照式成像光谱仪。

背景技术

成像光谱仪可获得目标空间信息和光谱信息，具有图谱合一的优势，被广泛应用于环境监测、食品卫生、真伪辨别、光源检测、矿物勘探、农林业等领域。传统成像光谱仪常通过分时扫描的方式获取三维图谱信息。

基于狭缝的色散型成像光谱仪在同一时刻可获得沿狭缝方向的一维空间信息和光谱信息，而垂直于狭缝的空间图像需通过沿该方向的推扫或摆扫获得，此类成像光谱仪广泛应用于星载和机载平台。基于滤光片轮的成像光谱仪在同一时刻可获得在某一波长处的二维空间图像，而不同波长处的信息获取需通过更换滤光片即扫描波长来获得，此类成像光谱仪通常用在地面固定场景。近年，随着无人机技术的日趋成熟，高光谱成像技术在行业应用中普及开来，而无人机等轻小平台在工作过程中易产生震动，导致搭载的扫描式成像光谱仪难以获得稳定高质量的图谱数据。快照式成像光谱仪一次曝光即可同时获得二维空间信息和一维光谱信息，得到三维数据立方体，不受震动影响，环境适应性强，十分适用于无人机高光谱遥感和运动目标的高光谱成像。

现有技术方案中，快照式成像光谱仪的准直镜组和聚焦镜组为两个独立组件，分布在色散元件两侧，这种同轴结构简单易实现。但是在大场积分元件、高空间分辨率、和高光谱分辨率的指标要求下，准直镜组和聚焦镜组也要求有长焦距，这将导致系统尺寸过长，体积庞大，导致在无人机平台的使用受限。另外，此类以棱镜或棱栅为色散元件的同轴光学系统很难消除光谱畸变，采集的光谱数据存在残余谱线弯曲和色畸变，影响数据保真度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于克服现有技术中存在的不足，提供一种快照式成像光谱仪，其系统体积紧凑,光成像性能优，光谱畸变低，有效提高图谱数据保真度。

按照本发明提供的技术方案，所述快照式成像光谱仪包括用于离散采样的场积分元件、离轴三反镜、色散与反射组件、离轴三反镜折叠镜以及焦平面探测器，所述场积分元件、色散与反射组件、折叠镜以及焦平面探测器位于所述离轴三反镜的同一侧，所述场积分元件所在平面与所述焦平面探测器所在平面相交，所述离轴三反镜关于对称平面对称，所述场积分元件与所述焦平面探测器位于所述对称平面的两侧；

其中，光线由所述场积分元件入射，经所述离轴三反镜反射至所述色散与反射组件，通过所述色散与反射组件再反射回所述离轴三反镜，经所述离轴三反镜二次反射后，光线通过所述折叠镜成像至所述焦平面探测器。

在本发明的一个实施例中，所述离轴三反镜包括主镜、次镜以及三镜，所述主镜以及三镜位于所述次镜的同一侧，所述离轴三反镜的面型均为非球面。

在本发明的一个实施例中，所述色散与反射组件为反射式衍射光栅。

在本发明的一个实施例中，所述色散与反射组件包括色散元件以及平面反射镜，所述平面反射镜位于所述离轴三反镜瞳面。

在本发明的一个实施例中，所述色散元件为单棱镜、胶合棱镜、分离棱镜组以及衍射光栅中的一种。

在本发明的一个实施例中，所述场积分元件为狭缝阵列、小孔阵列、微透镜阵列以及光纤阵列中的一种。

在本发明的一个实施例中，还包括焦平面探测器，所述焦平面探测器与所述焦平面连接，所述焦平面探测器的对角线尺寸为5mm～62mm。

在本发明的一个实施例中，所述离轴三反结构焦距为25mm～460mm。

在本发明的一个实施例中，所述色散与反射组件包括胶合棱镜以及平面反射镜，所述平面反射镜位于所述离轴三反镜瞳面，所述胶合棱镜包括第一棱镜以及第二棱镜，所述第二棱镜位于所述第一棱镜和平面反射镜之间。

在本发明的一个实施例中，所述第一棱镜为紫外熔融石英材料，所述第二棱镜由H-F4光学材料制成。

本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

1、本发明采用双通复用的离轴三反系统，获得紧凑的系统体积，相同指标下，比常规透射光路尺寸缩小至少2倍。

2、本发明利用离轴三反系统可获得大物面和像面的特征，该系统可将场积分元件和焦平面分布在三反系统对称平面两侧，并通过折叠镜折叠成像光路后分别得到互不干涉的大尺寸物面和像面。

3、本发明离轴三反系统和色散棱镜的畸变相互补偿，实现系统整体消畸变，分光成像性能优，光谱畸变低，有效提高图谱数据保真度。

4、本发明快照式成像光谱仪可一次曝光获得图谱数据，相比扫描式成像光谱仪，具有更高的数据采集效率、更强的抗干扰能力，并可采集运动目标图谱数据，可得到视频高光谱图像。

附图说明

为了使本发明的内容更容易被清楚的理解，下面根据本发明的具体实施例并结合附图，对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明成像光谱仪的光学系统光路示意图；

图2是本发明成像光谱仪的俯视图；

图3是本发明成像光谱仪的光学系统三维视图；

图4是现有狭缝阵列示意图；

图5是现有小孔阵列示意图；

图6是现有微透镜阵列示意图；

图7是本发明的一个实施例的光学系统点列图。

说明书附图标记说明：1-场积分元件；2-光线；3-主镜；4-次镜；5-三镜；6-胶合棱镜组；6.1-第一棱镜；6.2-第二棱镜；7-平面反射镜；8-折叠镜；9-焦平面探测器；10-对称平面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。

参照图1所示，为了使系统体积紧凑,光成像性能优，光谱畸变低，有效提高图谱数据保真度，本发明包括用于离散采样的场积分元件1、离轴三反镜、色散与反射组件、离轴三反镜、折叠镜8以及焦平面探测器9，所述场积分元件1、色散与反射组件、折叠镜8以及焦平面探测器9位于所述离轴三反镜的同一侧，所述离轴三反镜关于对称平面10对称，所述场积分元件1与所述焦平面探测器9位于所述对称平面10的两侧；；

其中，光线3由所述场积分元件1入射，经所述离轴三反镜反射至所述色散与反射组件，通过所述色散与反射组件再反射回所述离轴三反镜，经所述离轴三反镜二次反射后，光线2通过所述折叠镜8成像至所述焦平面探测器9。

具体地，色散与反射组件可以采用平面反射镜7以及色散元件实现所需的色散与反射功能，色散元件可为单棱镜、胶合棱镜或分离棱镜组，色散元件也可为衍射光栅，当色散元件为反射式衍射光栅时，可替代平面反射镜7，兼顾色散和反射光路的作用。

如图2所示，本发明实施例中，色散与反射组件采用胶合棱镜组6和平面反射镜7，本发明以色散与反射组件采用胶合棱镜组6和平面反射镜7为例进行解释说明。平面反射镜7位于所述离轴三反镜瞳面，胶合棱镜组6包括第一棱镜6.1以及第二棱镜6.2，第二棱镜6.2位于第一棱镜6.1和平面反射镜7之间。离轴三反镜包括主镜3、次镜4以及三镜5，所述主镜3以及三镜5位于所述次镜4的同一侧，主镜3、次镜4以及三镜5形成离轴三反结构，离轴三反结构的工作原理和具体情况均与现有相一致，具体为本领域技术人员所熟知，此处不再赘述。

本发明快照式成像光谱仪的工作原理为：场积分元件1位于离轴三反镜对称平面10的一侧，由场积分元件1进入的光线2经过离轴三反结构后准直出射，在出射光路中经胶合棱镜组6色散后入射到平面反射镜7，平面反射镜7所处位置为离轴三反结构瞳面，即不同视场主光线2在该面交于一点。平面反射镜7将光线2往回反射，重新经过色散棱镜、离轴三反结构和折叠镜，最终成像至焦平面探测器9，焦平面探测器9位于对称平面10的另一侧。在焦平面探测器9前添加折叠镜8用于往外折叠焦平面探测器9，使焦平面探测器9和场积分元件1分开较远距离，便于焦平面探测器9探测器的安装，并且能够得到互不干涉的大尺寸物面和像面，其中，物面形成在场积分元件1上。本发明采用双通复用的离轴三反系统，获得紧凑的系统体积，相同指标下，比常规透射光路尺寸缩小至少2倍。

场积分元件1可在狭缝阵列、小孔阵列、微透镜阵列、光纤阵列等场积分元件中根据实际需要选择，场积分元件1用于对该面内的图像进行分割采样，焦平面探测器9所成光谱图像为场积分元件1内各个分割采样点或区域的光谱图像，包含二维空间信息和一维光谱信息。此时目标的三维图谱信息被采集并展开在二维的焦平面探测器9上，通过光谱重建即可获得三维数据立方体。

由于棱镜产生的畸变是非对称畸变，同轴系统是旋转对称系统，无法产生与之互补的非对称畸变用于补偿，而离轴三反结构产生的畸变与色散棱镜产生的畸变通过光学设计相互补偿，达到系统整体的消畸变效果，使本发明光谱成像仪分光成像性能优，光谱畸变低，有效提高图谱数据保真度。

本发明实施例中，快照式成像光谱仪光学参数如下：

本发明采用像元尺寸为7μm的焦平面探测器9，按照上述光学参数制成的快照式成像光谱仪的物像放大倍率为1：1，离轴三反结构焦距范围为25mm～460mm，可用于紫外、可见近红外、短波红外、中波红外、长波红外波段，光谱分辨率范围为0.05nm～300nm，系统分光成像性能优；本发明成像光谱仪外包络尺寸为114mm×106mm×120mm，重量不足1kg，十分轻小。本发明点列图如图6所示，点列图RMS半径(均方根半径)均小于艾里斑半径，系统光谱畸变小，畸变小于2.3μm。当然，也可以选择其他的系统光学参数，具体可以根据实际需要选择，此处不再赘述。

本发明提出一种采用双通复用离轴三反结构的快照式成像光谱仪，利用双通结构压缩系统体积；利用离轴三反镜可实现大物面特点，将场积分元件1和焦平面探测器9分离排布，得到大物面和大像面；利用离轴三反本身存在的畸变，补偿色散棱镜的畸变，使系统整体实现消光谱畸变。解决体积和性能的平衡问题，得到大物面、高空间分辨率、高光谱分辨率、成像性能优、光谱畸变低、体积紧凑的成像光谱仪系统，适用于无人机等轻小型平台。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，并非对实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。