一种快照式成像光谱仪

本发明涉及成像光谱，尤其是指一种快照式成像光谱仪。

背景技术：

1、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。

2、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。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、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；

3、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。

4、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。

5、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。

6、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。

7、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。

8、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。

9、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。

10、在本发明的一个实施例中，所述离轴三反结构焦距为25mm～460mm。

11、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。

12、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。

13、本发明的上述技术方案相比现有技术具有以下优点：

14、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。

15、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。

16、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。

17、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。

技术特征：

1.一种快照式成像光谱仪，其特征在于：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；

2.根据权利要求1所述的快照式成像光谱仪，其特征在于：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。

3.根据权利要求1所述的快照式成像光谱仪，其特征在于：所述色散与反射组件为反射式衍射光栅。

4.根据权利要求1所述的快照式成像光谱仪，其特征在于：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。

5.根据权利要求4所述的快照式成像光谱仪，其特征在于：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。

6.根据权利要求1所述的快照式成像光谱仪，其特征在于：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。

7.根据权利要求1所述的快照式成像光谱仪，其特征在于：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。

8.根据权利要求1所述的快照式成像光谱仪，其特征在于：所述离轴三反结构焦距为25mm～460mm。

9.根据权利要求1所述的快照式成像光谱仪，其特征在于：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。

10.根据权利要求9所述的快照式成像光谱仪，其特征在于：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。

技术总结
本发明涉及一种快照式成像光谱仪，其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、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。本发明体积紧凑,光成像性能优，光谱畸变低，有效提高图谱数据保真度。

技术研发人员：朱嘉诚,沈为民
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13