CN110375856A - 基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***及方法 - Google Patents

基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***及方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种光谱成像技术，具体涉及一种基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***及方法。本发明的目的是解决现有超宽光谱探测完成超宽光谱成像时仪器体积和重量过大的问题，提供一种基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***及方法。该***包括沿光线入射方向依次同轴排布的前置望远镜、狭缝、镜像成像镜头、分波前双闪耀平面反射光栅，以及位于狭缝平面上的第一、第二光学接收装置；狭缝位于前置望远镜像面和镜像成像镜头物面的重合处；分波前双闪耀平面反射光栅的入射面为周期性三角形线槽刻划面。该方法中分波前双闪耀平面反射光栅将入射光束波前W反射并分成正级次闪耀波前W1和负级次闪耀波前W2两部分并在光学接收装置上成像。

Description

基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***及方法
技术领域
本发明涉及一种光谱成像技术，具体涉及一种基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***及方法，也即色散型光谱成像***及方法。
背景技术
以光栅作为色散元件的光谱成像技术在遥感成像方面有着非常重要的应用价值，常用的光栅类型主要有平面光栅、凸面光栅和凹面光栅，不同的光栅需要采用不同的光学结构型式以满足不同的性能需求。其中平面光栅由于刻划工艺成熟更是得到了广泛的应用。
光谱成像***中的平面光栅多采用反射式，反射式光栅可以定向闪耀，从而实现光谱仪能量的有效利用。典型的光路结构由前置成像物镜、狭缝、准直镜、光栅、会聚镜及面阵探测器组成。在遥感应用中光谱成像往往需要进行超宽谱段的探测，例如从可见光至短波红外的光谱探测，通常情况下，受探测器接收谱段和光路结构的限制，这种光路中的定向反射光栅只在一个方向闪耀，光栅入射面为周期性锯齿状线槽刻划面，为了减小光能损失，一般会将光栅的刻划面设计成短而陡的型式，但这种型式的光栅结构难以在一套光路结构中实现超宽光谱的探测，而是需要两套光学***来完成，这使得仪器的体积和重量大为增加，在航天产品中是非常不利的。
发明内容
本发明的目的是解决现有超宽光谱探测中需要两套光学***来完成超宽光谱成像，导致仪器体积和重量过大的技术问题，而提供一种基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
一种基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***，其特殊之处在于：包括沿光线入射方向依次同轴排布的前置望远镜、狭缝、镜像成像镜头、分波前双闪耀平面反射光栅，以及分别位于狭缝所在平面上的第一光学接收装置和第二光学接收装置；
所述前置望远镜的像方焦面和所述镜像成像镜头的物方焦面位置相重合；
所述狭缝位于所述像方焦面和所述物方焦面的重合处；
所述分波前双闪耀平面反射光栅的入射面为周期性三角形线槽刻划面；所述周期性三角形线槽刻划面由一个第一闪耀面和一个第二闪耀面形成一个周期；所述第一闪耀面的法线和第二闪耀面的法线分别与分波前双闪耀平面反射光栅的法线形成正向衍射闪耀角r1和负向衍射闪耀角r2；
所述正向衍射闪耀角r1与第一闪耀面的衍射主极大的关系方程为：
2dsinr1cosr1＝m1λ；
所述负向衍射闪耀角r2与第二闪耀面的衍射主极大的关系方程为：
2dsinr2cosr2＝m2λ；
其中：
d为光栅常数，其值为一个三角形周期的水平长度；
m1为第一闪耀面的光栅衍射级次，m1＝0，1，2，…；
m2为第二闪耀面的光栅衍射级次，m2＝0，-1，-2，…；
λ为入射光束波前W的波长；
所述第一光学接收装置和第二光学接收装置分别位于狭缝的上下两侧，且位于分波前双闪耀平面反射光栅的反射光路中。
进一步地，为了实现空间布局，所述镜像成像镜头为大视场成像镜头。
进一步地，为了使入射光束和光谱成像光束有足够的空间分离度，所述第一闪耀面的光栅衍射级次m1和第二闪耀面的光栅衍射级次m2满足以下关系式：
m1-∣m2∣＝1；
或者，m1-∣m2∣＝2。
本发明还提供一种基于上述分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***的光谱成像方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)前置望远镜收集来自目标景物的入射光束波前W并将其成像于狭缝处；
2)狭缝处成像的光线经镜像成像镜头准直后垂直入射到分波前双闪耀平面反射光栅上；
所述分波前双闪耀平面反射光栅的入射面为周期性三角形线槽刻划面；所述周期性三角形线槽刻划面由一个第一闪耀面和一个第二闪耀面形成一个周期；所述第一闪耀面的法线和第二闪耀面的法线与分波前双闪耀平面反射光栅的法线分别形成正向衍射闪耀角r1和负向衍射闪耀角r2；
所述正向衍射闪耀角r1与第一闪耀面的衍射主极大的关系方程为：
2dsinr1cosr1＝m1λ；
所述负向衍射闪耀角r2与第二闪耀面的衍射主极大的关系方程为：
2dsinr2cosr2＝m2λ；
其中：
d为光栅常数，其值为一个三角形周期的水平长度；
m1为第一闪耀面的光栅衍射级次，m1＝0，1，2，…；
m2为第二闪耀面的光栅衍射级次，m2＝0，-1，-2，…；
λ为入射光束波前W的波长；
3)分波前双闪耀平面反射光栅将入射光束波前W反射并分成正级次闪耀波前W1和负级次闪耀波前W2两部分；
4)所述正级次闪耀波前W1和负级次闪耀波前W2经镜像成像镜头在第一光学接收装置和第二光学接收装置上成像。
进一步地，所述正级次闪耀波前W1为可见光光谱段或短波红外光谱段。
进一步地，所述负级次闪耀波前W2为可见光光谱段或短波红外光谱段。
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
本发明提供的基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***及方法，是为了更好地实现超宽光谱遥感成像而提出的一种新的超宽谱段光谱成像实现方法，这种方法的核心是采用特殊设计的分波前双闪耀平面反射光栅与镜像成像光路设计相结合，只需采用一组镜像镜头，即可代替现有超宽谱段光谱成像中使用的两套准直镜和两套会聚镜的四组镜头组合，实现超宽谱段光谱成像，可大大地减小光谱成像***的体积和重量，使仪器有更好的性能，从而能够满足航天产品对于体积小和重量轻的要求。
附图说明
图1为本发明基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***的原理示意图；
图2为图1中的分波前双闪耀平面反射光栅结构示意图；
图3为图1中光谱成像***的设计仿真实例，其中仅表示出光谱成像***的一部分元件，包含狭缝、镜像成像镜头和分波前双闪耀平面反射光栅4、第一光学接收装置和第二光学接收装置；
附图标记说明：
1-前置望远镜；2-狭缝；3-镜像成像镜头；4-分波前双闪耀平面反射光栅；5-第一光学接收装置；6-第二光学接收装置；7-第一闪耀面；8-第二闪耀面。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步地说明。
为了更好地实现超宽光谱遥感成像，本发明提出一种新的技术实现方法，这种技术的核心是采用特殊设计的分波前双闪耀平面反射光栅4和镜像成像光路设计，只需采用一组镜像镜头即可代替两套准直镜和两套会聚镜的四组镜头组合，实现超宽谱段光谱成像，可大大地减小光谱成像***的体积和重量，使仪器有更好的性能。
本发明的基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***的原理如图1所示，该***包括沿光线入射方向依次同轴排布的前置望远镜1、狭缝2、镜像成像镜头3和分波前双闪耀平面反射光栅4，以及分别位于狭缝2所在平面上的第一光学接收装置5和第二光学接收装置6，其中所述第一光学接收装置5和第二光学接收装置6分别位于狭缝2的上下两侧，且位于分波前双闪耀平面反射光栅4的反射光路中。
前置望远镜1收集来自目标景物的入射光束波前W(能量)并将其成像于放置在前置望远镜1的像方焦面处的狭缝2处，狭缝2同时位于镜像成像镜头3的物方焦面处，镜像成像镜头3将狭缝2处的成像的光线准直后垂直入射到分波前双闪耀平面反射光栅4上，入射光束波前W在分波前双闪耀平面反射光栅4处被反射并分成正级次闪耀波前W1和负级次闪耀波前W2(也可以称为正级次衍射波前W1和负级次衍射波前W2)两部分。其中，正级次闪耀波前W1沿正级衍射方向再次经镜像成像镜头3成像于设置在镜像成像镜头3的物方焦面处的第一光学接收装置5上，形成景物的正级衍射光谱图像，负级次闪耀波前W2沿负级衍射方向再次经镜像成像镜头3成像于设置在镜像成像镜头3的物方焦面处的第二光学接收装置6上，形成景物的负级衍射光谱图像。
在这里，正级次闪耀波前W1和负级次闪耀波前W2可以是同一光谱段，也可以是不同的光谱段，比如，所述正级次闪耀波前W1可以为可见光光谱段或短波红外光谱段；所述负级次闪耀波前W2可以为可见光光谱段，或者也可以为短波红外光谱段。
本发明的分波前双闪耀平面反射光栅4是一种特殊设计的非常规光栅，通常情况下的定向反射光栅只在一个方向闪耀，因而光栅被设计成锯齿状，为了减小光能损失，刻划面设计成短而陡的型式，这种型式的光栅结构是难以在一个镜像成像镜头3的光路结构中实现超宽光谱探测。为了能够在一组光路中实现超宽谱段成像，本发明将光栅表面设计成三角形(即将分波前双闪耀平面反射光栅4的入射面设计为周期性三角形线槽刻划面)，从而形成第一闪耀面7和第二闪耀面8两个闪耀面，入射光入射到光栅面上时，光线被分成两部分，一部分沿正级次闪耀，另一部分沿负级次闪耀，分波前双闪耀平面反射光栅4的设计参数如图2所示，其表面为周期性三角形线槽刻划面，三角形的两个刻划面均为光栅工作面，即第一闪耀面7和第二闪耀面8，所述第一闪耀面7的法线和第二闪耀面8的法线分别与分波前双闪耀平面反射光栅4的法线形成正向衍射闪耀角r1和负向衍射闪耀角r2两种闪耀角，分别对应衍射角θ1和θ2，入射光束波前W经衍射后主要能量集中在正向衍射闪耀角r1和负向衍射闪耀角r2所对应的正、负衍射级次上，从而实现分波前双闪耀光谱成像。
这种分波前双闪耀平面反射光栅4和闪耀面的衍射主极大满足常用的光栅方程，一个三角形周期为光栅常数d，
dsinθ＝mλ；
m＝0，±1，±2，…
式中d为光栅常数，m为光栅衍射级次，λ为波长；θ为衍射角；
在采用镜像成像光路的条件下，分波前双闪耀平面反射光栅4是垂直于光轴(光线入射方向)的，因此，可以得到闪耀面的衍射主极大与两个闪耀角的关系方程：
2dsinr1cosr1＝m1λ；
2dsinr2cosr2＝m2λ；
其中，
m1为第一闪耀面的光栅衍射级次，m1＝0，1，2，…；
m2为第二闪耀面的光栅衍射级次，m2＝0，-1，-2，…。
图3为本发明的设计仿真实例，为了实现空间布局，镜像成像镜头3应当是大视场成像镜头，同时所述分波前双闪耀平面反射光栅4的闪耀级次可以是同一级次，也可以是不同级次。所述正级次闪耀波前W1最好可以比负级次闪耀波前W2高一级或两级；或者，所述负级次闪耀波前W2最好可以比正级次闪耀波前W1高一级或两级，从而使入射光束和光谱成像光束有足够的空间分离度。即所述第一闪耀面7的光栅衍射级次m1和第二闪耀面8的光栅衍射级次m2最好满足以下关系式：
m1-∣m2∣＝1；
或者，m1-∣m2∣＝2。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***，其特征在于：包括沿光线入射方向依次同轴排布的前置望远镜(1)、狭缝(2)、镜像成像镜头(3)、分波前双闪耀平面反射光栅(4)，以及分别位于狭缝(2)所在平面上的第一光学接收装置(5)和第二光学接收装置(6)；
所述前置望远镜(1)的像方焦面和所述镜像成像镜头(3)的物方焦面位置相重合；
所述狭缝(2)位于所述像方焦面和所述物方焦面的重合处；
所述分波前双闪耀平面反射光栅(4)的入射面为周期性三角形线槽刻划面；所述周期性三角形线槽刻划面由一个第一闪耀面(7)和一个第二闪耀面(8)形成一个周期；所述第一闪耀面(7)的法线和第二闪耀面(8)的法线与分波前双闪耀平面反射光栅(4)的法线分别形成正向衍射闪耀角r1和负向衍射闪耀角r2；
所述正向衍射闪耀角r1与第一闪耀面(7)的衍射主极大的关系方程为：
2dsinr1cosr1＝m1λ；
所述负向衍射闪耀角r2与第二闪耀面(8)的衍射主极大的关系方程为：
2dsinr2cosr2＝m2λ；
其中：
d为光栅常数，其值为一个三角形周期的水平长度；
m1为第一闪耀面(7)的光栅衍射级次，m1＝0，1，2，…；
m2为第二闪耀面(8)的光栅衍射级次，m2＝0，-1，-2，…；
λ为入射光束波前W的波长；
所述第一光学接收装置(5)和第二光学接收装置(6)分别位于狭缝(2)的上下两侧，且位于分波前双闪耀平面反射光栅(4)的反射光路中。
2.根据权利要求1所述的基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***，其特征在于：所述镜像成像镜头(3)为大视场成像镜头。
3.根据权利要求2所述的基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***，其特征在于：
所述第一闪耀面(7)的光栅衍射级次m1和第二闪耀面(8)的光栅衍射级次m2满足以下关系式：
m1-∣m2∣＝1；
或者，m1-∣m2∣＝2。
4.一种使用权利要求1至3任一所述基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***的光谱成像方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)前置望远镜(1)收集来自目标景物的入射光束波前W并将其成像于狭缝(2)处；
2)狭缝(2)处成像的光线经镜像成像镜头(3)准直后垂直入射到分波前双闪耀平面反射光栅(4)上；
所述分波前双闪耀平面反射光栅(4)的入射面为周期性三角形线槽刻划面；所述周期性三角形线槽刻划面由一个第一闪耀面(7)和一个第二闪耀面(8)形成一个周期；所述第一闪耀面(7)的法线和第二闪耀面(8)的法线分别与分波前双闪耀平面反射光栅(4)的法线形成正向衍射闪耀角r1和负向衍射闪耀角r2；
所述正向衍射闪耀角r1与第一闪耀面(7)的衍射主极大的关系方程为：
2dsinr1cosr1＝m1λ；
所述负向衍射闪耀角r2与第二闪耀面(8)的衍射主极大的关系方程为：
2dsinr2cosr2＝m2λ；
其中：
d为光栅常数，其值为一个三角形周期的水平长度；
m1为第一闪耀面(7)的光栅衍射级次，m1＝0，1，2，…；
m2为第二闪耀面(8)的光栅衍射级次，m2＝0，-1，-2，…；
λ为入射光束波前W的波长；
3)分波前双闪耀平面反射光栅(4)将入射光束波前W反射并分成正级次闪耀波前W1和负级次闪耀波前W2两部分；
4)所述正级次闪耀波前W1和负级次闪耀波前W2经镜像成像镜头(3)在第一光学接收装置(5)和第二光学接收装置(6)上成像。
5.根据权利要求4所述基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***的光谱成像方法，其特征在于：所述正级次闪耀波前W1为可见光光谱段或短波红外光谱段。
6.根据权利要求4所述基于分波前双闪耀平面反射光栅的光谱成像***的光谱成像方法，其特征在于：所述负级次闪耀波前W2为可见光光谱段或短波红外光谱段。
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