[发明专利]一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统及其成像方法

说明书

本发明涉及一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统及其成像方法。分光成像系统为共轴对称式结构，包括分光元件及对称设置于分光元件两侧的准直镜片组和聚焦镜片组。成像方法为入射光线通过准直透镜组，得到平行于光轴的复色平行光束，入射至分光元件，经由全息光栅和棱镜组合的分光元件分光后，出射平行于光轴的不同波长的单色平行光束，入射至聚焦镜片组，经聚焦后成像于探测器处。本发明提供的分光成像系统具有大相对孔径、光谱分辨率高、光能利用率高、结构简单紧凑等特点，应用前景广阔。

技术领域

本发明涉及成像光谱仪分光成像系统技术领域，具体涉及一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统。

背景技术

光谱成像技术是将成像技术和光谱技术相结合的新型多维信息获取技术，它能够同时获得被测目标的二维空间信息和一维光谱信息。基于此，研究人员可以根据目标物体的“光谱指纹”特性，对目标物体精准鉴别检测与分析，因此，这一技术在生产生活、科学研究和军事侦察等领域有着广泛的应用前景。

现有光谱成像技术大多是采用狭缝进行视场分割，获得线视场的光谱像，并通过对目标扫描成像获得全视场光谱像，这类系统存在着能量利用率低、非实时成像等不足，无法满足一些运动目标的分光成像需求。

快照式光谱成像技术作为一种新颖的光谱成像技术，无需推扫即可在一个探测器积分时间内获取目标物体的二维空间信息和光谱信息，可以满足一些需要实时获取空间信息和光谱信息的应用的实际需求。

参见附图1，它是现有技术提供的快照式光谱成像系统整体结构原理图，按光线传输方向，依次为孔径光阑1，前置物镜2，微透镜阵列3，准直镜片组4，分光元件5，聚焦镜片组6和CCD探测器7；其中，准直镜片组4、分光元件5和聚焦镜片组6构成分光成像系统，入射光线通过位于前置物镜2物方焦平面处的孔径光阑1传播至前置物镜，前置物镜将远处的景物成像于一次像面处；位于一次像面处的微透镜阵列3将像面进行分割并缩放后在微透镜阵列像方焦平面处形成光瞳像阵列；由光瞳像发出的光线入射至准直透镜组4，获得复色平行光束，复色平行光经组合分光元件5后，出射为不同波长的单色平行光束，并入射到聚焦透镜组6，聚焦透镜组光将光束聚焦于在CCD探测器7处获得不同波长的单色光瞳像阵列，完成成像过程。分光成像系统作为快照式成像光谱仪的核心组成部分，其成像质量决定了系统的光谱分辨率和成像性能。

现有技术中常见的分光方式主要有棱镜和光栅等，棱镜色散率低、分光能力较差，而浮雕光栅的衍射效率低，光能利用率不高。常用的光栅分光成像系统，如Offner光栅型、Czerny-Turner光栅型等，这类光谱仪均为离轴结构，存在着体积大、装调困难、稳定性差等缺陷。

中国发明专利CN 110081976 A公开了一种大视场光栅棱镜光谱成像系统，该系统包括狭缝、球面反射镜和平面反射镜、光栅棱镜模块、由8片透镜组成的聚焦镜组、滤光片和探测器。该系统工作波段为420～1000nm，狭缝长度29.4mm ,F数为2.4；光学系统采用反射式结构作为准直物镜和采用透射式结构作为聚焦镜组，实现了宽波段、大相对孔径、长狭缝光谱成像，达到了设计目的；但它存在以下不足：第一是由于使用球面反射镜和平面镜构成离轴准直组，该光谱成像系统属于离轴系统，因而在装调上存在一定的难度且系统稳定性较差；第二是该分光成像系统采用狭缝进行视场分割，系统的光能利用率低，且需要扫描才能实现全视场光谱图像的获取。

因此，设计一种用于快照式成像光谱仪的分光成像系统，以解决目前大多分光成像系统存在的问题，对于光谱成像技术的的推广及应用具有重大实际意义。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种光谱分辨率高、成像质量好、结构简单紧凑、易于加工装调的直视型光谱成像系统及其成像方法。