CN102183304B - 一种柱面消像散光栅色散型成像光谱仪光路结构 - Google Patents

Abstract

一种柱面消像散光栅色散型成像光谱仪光路结构，包括狭缝(1)；准直物镜(2)，将通过狭缝的光反射到光栅(3)上；光栅(3)，进行分光；成像物镜组由球面反射镜(4)和柱面反射镜(5)组成，将分光后的光成像至探测器(6)的光敏面处进行分光谱成像。光谱仪采用全反射式光学元件，所有反射元件均镀高反射率膜。该结构特点在于引入柱面镜减小了光栅色散型成像光谱仪的弧矢面像散，极大的提高了光谱仪的光谱分辨力和成像分辨力。

Description

一种柱面消像散光栅色散型成像光谱仪光路结构

技术领域

本发明涉及光谱仪，尤其涉及光栅色散型成像光谱仪的光路结构。

背景技术

成像光谱技术起源于上世纪70年代初期的多光谱遥感技术，并随着对地观测应用的需要而发展，是综合了成像技术和光谱技术的新兴领域。成像器获取目标的影像信息，追求高清晰度并研究其空间特性；光谱仪则把目标的辐射分离成不同波长的光谱辐射，追求高光谱分辨力，从而对目标进行测量和分析。这两种技术融合的结晶——成像光谱仪能够获取待测目标特定波段的高光谱图像，具有图谱合一的优势。

色散型成像光谱仪一般使用光栅作为分光元件，全反射式的色散型成像光谱仪光路结构具有光谱分辨力高、波段范围宽、可靠性好等优点。但是光路非遮挡的要求决定了全反射式的色散型光谱仪属于离轴光学***，如图1和图2所示为传统的切尔尼-特纳型光谱仪光路结构：包括狭缝。这类结构的像差较大，无法实现较高的光谱分辨力和成像分辨力。

发明内容

本发明涉及柱面消像散的光栅色散型成像光谱仪，包括狭缝，限制进入光谱仪分光***的光束大小，其宽度决定光谱仪的光谱分辨力，其高度决定光谱仪的成像维视场角，即单幅光谱图像的成像范围；

准直物镜，将通过狭缝的光反射到光栅上；

光栅，对准直物镜反射过来的平行复色光按波长分成相应衍射角的平行光束组；

成像物镜组，将分光后的平行光束组聚焦至探测器的光敏面处进行分光谱成像；

探测器，二维探测器可以同时接收包含一维光谱信息和一维空间信息的光谱图像。

其中，光学***中的各个光学元件除狭缝外均采用全反射式光学元件，所有反射元件均镀高反射率膜。

其中，光谱仪通光孔径优选10～150mm；光谱维瞬时视场角优选0.01°～2.0°；扫描视场角在10°～160°范围内。

其中，成像物镜组由球面反射镜和柱面反射镜共同组成。

其中，引入柱面镜消除成像光谱仪在弧矢面内的像散。

为了解决传统全反射式的色散型光谱仪成像分辨力不高的问题，对光谱仪的光路结构进行三处创新：

其一是在不增加光学元件的基础上，将成像物镜与探测器之间的平面反射镜替换为柱面反射镜，利用柱面面型的成像特点消除影响成像光谱仪成像质量最大的像散，而不是利用加工难度很大的超环面镜。

其二是使准直物镜与狭缝之间距离不等于准直物镜的焦距，将该距离参数作为优化参量，即经过准直物镜准直后的光束不是平行光，而是带有一定发散角或者会聚角的非平行光，这种设计使得整个光学***具有更多的优化变量。

其三是根据式1所示的成像光谱仪像差与光学结构的关系，计算出像差最小的一组结构，式1中符号所代表的意义如图1所示。由式1可推导出当准直物镜2到光栅3的距离为准直物镜焦距的2倍(l₁＝2f′₁)，并且光栅3到成像物镜4的距离为成像物镜组焦距的2倍(l₂＝2f′₂)时成像光谱仪像差系数最小，所以成像光谱仪的像差也就最小。

$\left.\begin{array}{c}{S}_I=-\frac{1}{4}\frac{h^4}{f^{\′3}}\\ S_{\mathrm{II}}=\frac{{\mathrm{jh}}^2}{{2f}^{\′2}}(1-\frac{l}{2f^{\′}})\\ S_{\mathrm{III}}=-\frac{j^2}{f^{\′}}{(1-\frac{l}{{2f}^{\′}})}^2\\ S_{\mathrm{IV}}=\frac{j^2}{f^{\′}}\end{array}\right\}---\left(1\right)$

这种光路结构可以大大提高光谱仪的光谱分辨力和成像分辨力，并且加工难度小，成本较低。

附图说明

图1所示为切尔尼-特纳型光谱仪原理示意图；

图2所示为传统的成像光谱仪的光路结构示意图；

图3所示为带有平面反射镜的传统成像光谱仪的光路结构示意图；

图4所示为根据本发明的成像光谱仪的光路结构示意图。

(附图中各部件的尺寸和距离等并没有严格按照比例画出)。

具体实施方式

下面，结合附图详细描述根据本发明的优选实施例。图4所示为根据本发明的实施方式的扫描成像光谱仪光路结构示意图。该光谱仪的光学***包括a)狭缝1，b)准直物镜2，c)平面光栅3，d)成像物镜组4、5，e)探测器6。

被观测物体置于狭缝1处或被观测物体的实像在狭缝1处，物体或物体实像所发出的光线经过狭缝1由准直物镜2准直反射至平面光栅3上进行分光，然后由聚焦物镜组4、5聚焦在探测器6的光敏面上成像。

由图2可以看出，传统的切尔尼-特纳型光路由两块球面反射镜作为准直物镜2和成像物镜4，分光元件为平面光栅3，成像物镜4将光谱图像成像在探测器5上。图3也是传统的切尔尼-特纳型光路。为了方便探测器的安装，通常在图2所示的结构上安装一块平面反射镜5将光线偏转45°左右反射到探测器6上成像。这种光路结构在非成像光谱仪中已经得到广泛应用，然而由于这种光路像散大的特点阻碍了其在成像光谱仪中的应用。本发明引入柱面反射镜，并改进光路结构来提高成像光谱仪的成像分辨力和光谱分辨力，设计思想如下：

首先通过像差理论分析可以计算出，当准直物镜2到光栅3的距离为准直物镜焦距的2倍，且光栅3到成像物镜组4的距离为成像物镜组焦距的2倍时，成像光谱仪的像差最小，此时像散为主要的残余像差，而像散极大的阻碍了成像光谱仪成像分辨力的提高。根据像散的产生原因分，本发明采用了两种方法消除像散：

1、产生像散的根本原因是于切尔尼-特纳型光路中光学元件的离轴角，根据推导的像散公式发现离轴角越大像散就越大，因此减小离轴角是减小成像光谱仪像散的重要手段。而本发明增大了光栅到准直物镜和成像物镜的距离，这为准直物镜和成像物镜离轴角的可调节范围提供了更大的空间，可以是离轴角更小，从根本上减小了像散的产生。

2、产生像散的直接原因是光学***的子午焦距与弧矢焦距不等，导致子午像面与弧矢像面不重合，根据像散的这一特点将图3中平面反射镜5替换为如图4中的柱面反射镜5，柱面反射镜在弧矢面内具有不为0的曲率。这样，在初始设计时可以先找到子午面的最佳像面位置，此时狭缝上一点在像面上的光斑形状应为长度沿弧矢方向的细长条状。然后改变柱面镜在弧矢面内的曲率，就可以大大缩小像面上光斑的长度，最终得到小半径的圆形光斑。

另外，当光栅置于非平行光照射下会产生像散，因此本发明对狭缝的位置进行了微调，使狭缝距准直物镜的距离略小于准直物镜的焦距，从而使光栅在发散角较小的光束照射下产生一定的像散来抵消像面的像散，最终获得小像差的光谱图像。

本实施方案中的反射镜和光栅均为反射式光学元件，反射面镀高反射率膜，并且反射镜面型为球面或柱面，未使用加工难度较大的二次或更高次曲面镜。

下面对本实施方式的光谱仪中的各光学元件进行详细说明。

a)狭缝1

狭缝1的作用是限制进入光谱仪分光***的光束大小，根据成像光谱仪原理，其宽度决定光谱仪的光谱分辨力，其高度决定光谱仪的成像维视场角，即单幅光谱图像的成像范围。

b)准直物镜2

准直物镜2的主要作用是将通过入射狭缝进入光谱仪分光***的光束准直反射到平面光栅3上。本实施方式中，准直物镜采用球面面型，经过准直物镜的光束可以是平行光或发散光。

c)平面光栅3

平面光栅作为色散型光谱仪的分光元件，是整个光谱仪的核心元件。根据衍射光栅分光原理，光栅对平行复色光按波长不同分成具有不同衍射角的平行光束组，每束平行光均为单色光，从而实现光谱的色散。

d)聚焦物镜组4和5

聚焦物镜4和5的作用是将经过光栅6分出的携带了物面信息的平行光束组聚焦到探测器的光敏面上，从而实现对物体的分光谱成像。本实施方式中，其面型采用球面反射镜和柱面反射镜。

e)探测器6

使用二维阵列探测器可以同时接收包含一维光谱信息和一维空间信息的光谱图像，通过对光谱维的扫描可以获得二维空间的光谱数据立方体，经过光谱重建最终得到待测目标的高光谱图像。

根据本实施方式的成像光谱仪一个实施例如下，***总体参数：

1)波段范围：200nm～1000nm；

2)光栅刻线数：1200lp/mm；

3)光谱分辨力：优于1.0nm；

4)焦距：192.85；

5)成像分辨力：141p/mm；

光学***中各光学元件的具体光学参数如表1所示。表格中“面型”表示各个面的名称；“曲率半径”为各个光学曲面的半径大小；“到下面的距离”为本光学面到下一个光学面的距离；“通光孔径”表示该光学元件的半口径大小；离轴角表示该面与前一面之间的旋转角。长度的正负以从左向右为正，反之为负；角度的正负以沿成像方向(即弧矢方向)顺时针旋转为正，反之为负。

表1扫描成像光谱仪光路结构参数

本说明书中所述的只是本发明的一种较佳具体实施例，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明的限制。凡本领域技术人员依本发明的构思通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在本发明的范围之内。

Claims (5)

1.柱面消像散的光栅色散型成像光谱仪，包括：

狭缝，限制进入光谱仪的光束大小，其宽度决定光谱仪的光谱分辨力，其高度决定光谱仪的成像维视场角，即单幅光谱图像的成像范围；

准直物镜，将通过狭缝的光准直并反射到反射式平面衍射光栅上；

反射式平面衍射光栅，对准直物镜反射过来的平行复色光按波长不同分成具有不同衍射角的平行光束组，每组平行光束均为单色光；

成像物镜组，由球面反射镜和柱面反射镜组成，将分光后的平行光束组聚焦至探测器的光敏面处进行分光谱成像；

探测器，二维阵列探测器，采集光谱图像数据。

2.柱面消像散的光栅色散型成像光谱仪，包括：

狭缝，限制进入光谱仪的光束大小，其宽度决定光谱仪的光谱分辨力，其高度决定光谱仪的成像维视场角，即单幅光谱图像的成像范围；

准直物镜，将通过狭缝的光准直并反射到反射式平面衍射光栅上；

反射式平面衍射光栅，对准直物镜反射过来的复色光按波长不同分成具有不同衍射角的光束组，每组光束均为单色光；

成像物镜组，由球面反射镜和柱面反射镜组成，将分光后的光束组聚焦至探测器的光敏面处进行分光谱成像；

探测器，二维阵列探测器，采集光谱图像数据；

其中，经过准直物镜准直后的光束是发散角较小的发散光束，照射反射式平面衍射光栅后会产生一定的像散来抵消像面的像散，最终获得小像差的光谱图像。

3.根据权利要求1或2所述的柱面消像散的光栅色散型成像光谱仪，其特征在于成像光谱仪中的各个光学元件除狭缝和探测器外均采用全反射式光学元件，所有反射式光学元件均镀高反射率膜。

4.根据权利要求1或2所述的柱面消像散的光栅色散型成像光谱仪，其特征在于准直物镜到反射式平面衍射光栅的距离为准直物镜焦距的2倍，并且反射式平面衍射光栅到成像物镜组的距离为成像物镜组焦距的2倍。

5.根据权利要求1或2所述的柱面消像散的光栅色散型成像光谱仪，其特征在于引入的柱面反射镜可消除成像光谱仪的像散。