[發(fā)明專利]畫幅式色散成像光譜裝置及其探測方法

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201410385661.0
• 申請日: 2014-08-06
• 公開（公告）號: CN105371949A
• 公開（公告）日: 2016-03-02
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 李建欣;孟鑫;孫宇聲;劉德芳;朱日宏;郭仁慧;沈華;馬駿;陳磊;何勇
• 申請（專利權(quán)）人: 南京理工大學(xué)
• 主分類號: G01J3/28
• 分類號: G01J3/28;G01J3/02
• 代理公司: 南京理工大學(xué)專利中心 32203
• 代理人: 朱顯國

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于光學(xué)成像領(lǐng)域，具體涉及一種畫幅式色散成像光譜裝置及其探測方法，利用反射狹縫，獲取的目標(biāo)光譜圖像無需拼接，且空間分辨率不受狹縫寬度的影響。

背景技術(shù)

在對目標(biāo)進(jìn)行成像探測時，物體的光譜信息可反應(yīng)出目標(biāo)的物理、化學(xué)性質(zhì)，并可有效地消除背景噪聲，增強(qiáng)物體的可見性。成像光譜儀集合了照相機(jī)和光譜儀的特點(diǎn)，可以同時獲得探測場景的圖像信息和各物點(diǎn)的光譜信息。成像光譜儀具有廣闊的應(yīng)用前景，在工業(yè)、農(nóng)業(yè)、軍事偵察、大氣探測等領(lǐng)域具有重要的應(yīng)用價(jià)值。主流的成像光譜儀主要包括濾光片型、色散型和干涉型三大類，其中色散型具有較高的光譜分辨率，且原理簡單，是現(xiàn)階段高光譜成像探測的主要類型。

傳統(tǒng)的色散光譜儀采用入射狹縫，單次探測能夠獲取目標(biāo)場景一列物點(diǎn)的光譜信息，通過推掃獲取整個場景的光譜信息。各個譜段的重構(gòu)光譜圖像由場景各列物點(diǎn)圖像拼接而成，往往包含條帶噪聲，且如果推掃過程中出現(xiàn)丟幀或者平臺出現(xiàn)抖動，拼接圖像可能會遺失有效信息。此外，傳統(tǒng)的色散光譜儀中入射狹縫的寬度與重構(gòu)的光譜圖像的空間分辨率成反比，且與入射光通量成正比。為保證充足的光通量，狹縫必須具有一定的寬度，限制了光譜圖像空間分辨率的提升。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明的目的在于提供一種畫幅式色散成像光譜裝置及其探測方法，系統(tǒng)采用反射狹縫，單次探測能夠獲取目標(biāo)場景三維光譜立方體的一個斜切面，包括場景的整個圖像信息，通過推掃可以獲取高空間分辨率和高質(zhì)量的目標(biāo)光譜圖像。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的技術(shù)解決方案為：一種畫幅式色散成像光譜裝置，包括前置光學(xué)系統(tǒng)、半透半反鏡、色散元件、第一成像物鏡、反射狹縫、第二成像物鏡、面陣探測器和信號處理系統(tǒng)；沿光路方向依次設(shè)置前置光學(xué)系統(tǒng)、半透半反鏡、色散元件、第一成像物鏡、反射狹縫，前置光學(xué)系統(tǒng)包括共光軸依次設(shè)置的前置物鏡和準(zhǔn)直物鏡，前置成像物鏡的像面和準(zhǔn)直物鏡的前焦面重合；反射狹縫(5)位于第一成像物鏡的后焦面處，第二成像物鏡位于半透半反鏡的第二次反射光路上，面陣探測器的探測靶面位于第二成像物鏡的后焦面處，面陣探測器和信號處理系統(tǒng)通過導(dǎo)線連接；所有光學(xué)元件相對于基底同軸等高，即相對于光學(xué)平臺或儀器底座同軸等高。

本發(fā)明畫幅式色散成像光譜裝置，光路走向如下：探測場景物點(diǎn)的出射光束經(jīng)過前置物鏡確定目標(biāo)視場，消除雜散光進(jìn)入準(zhǔn)直物鏡形成的準(zhǔn)直光束后入射到半透半反鏡，其中透射光束第一次通過色散元件，發(fā)生色散；色散光束隨后第一次經(jīng)過第一成像物鏡成像在其后焦面的反射狹縫上，色散圖像的一列圖像的光被反射狹縫反射，第二次經(jīng)過第一成像物鏡，再次到達(dá)色散元件，發(fā)生第二次色散，隨后第二次色散的光束第二次入射到半透半透鏡，其中反射光束經(jīng)過第二成像物鏡后成像在其后焦面的面陣探測器上，光信號轉(zhuǎn)化為電信號并傳到信號處理系統(tǒng)。

上述色散元件為透射式色散光柵、反射式色散光柵或色散棱鏡。

上述反射狹縫能夠反射成像物鏡后焦面上面一列圖像的光線，讓這一列反射光束返回成像物鏡。

上述信號處理系統(tǒng)通過系統(tǒng)整體推掃或者沿垂直于第二成像物鏡的光軸方向平移反射狹縫，獲取探測場景完整的三維光譜立方體。

本發(fā)明畫幅式色散成像光譜裝置的成像光譜探測方法，包括以下步驟：

步驟一：來自探測場景各點(diǎn)的入射光進(jìn)入前置光學(xué)系統(tǒng)，通過前置成像物鏡成像在其像面上，消除雜散光，隨后經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡，形成準(zhǔn)直光束，以準(zhǔn)直光束形式入射到半透半反鏡；

步驟二：通過前置光學(xué)系統(tǒng)的準(zhǔn)直光束入射到半透半反鏡，其中透射光束第一次經(jīng)過色散元件，發(fā)射第一次色散，隨后色散光束經(jīng)過第一成像物鏡成像在其后焦面處的反射狹縫上面；

步驟三：反射狹縫將第一成像物鏡所成的色散圖像的一列圖像的光束反射，光束第二次經(jīng)過成像物鏡形成平行光束，然后再次經(jīng)過色散元件發(fā)生第二次色散，色散后的光束第二次入射到半透半反鏡，其中的反射光束入射到第二成像物鏡。

步驟四：入射到第二成像物鏡的色散光束成像在其后焦面處的面陣探測器的靶面上，光信號轉(zhuǎn)化為電信號，進(jìn)入信號處理系統(tǒng)，單次獲取探測場景三維光譜立方體的一個斜切面，該斜切面包含完整的探測場景的二維圖像信息，通過系統(tǒng)整體推掃或者沿垂直于第二成像物鏡的光軸方向平移反射狹縫，可以獲取探測場景完整的三維光譜立方體。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，該方法單次獲取探測場景三維光譜立方體的一個斜切面，包含完整的探測場景的二維圖像信息；而傳統(tǒng)的色散成像光譜儀單次獲取的目標(biāo)場景的一個縱向切面，只能獲取探測場景一個維度的圖像信息。因此具有兩個顯著的優(yōu)點(diǎn)：

(1)復(fù)原的光譜圖像無需圖像拼接，避免圖像信息流失；