基于透镜阵列和球面阶梯式阵列反射镜快照式成像光谱仪

摘要

基于透镜阵列和球面阶梯式阵列反射镜快照式成像光谱仪，涉及成像光谱探测仪器技术领域，解决传统成像光谱仪实时性较差，体积重量较大的问题，并解决快照干涉成像光谱仪每个通道干涉成像的高MTF和高分辨率之间相互制约的问题，包括准直镜、透镜阵列、分束器、弧矢向球面阶梯式阵列反射镜、子午向球面阶梯式阵列反射镜、中继成像系统和探测阵面。通过准直镜和透镜阵列对目标场景入射光场进行多成像通道传输，弧矢向和子午向球面阶梯式阵列反射镜对多成像通道传输的光场进行相位调制和远心度调制。本发明实现成像光谱仪一次测量同时获取图像和光谱信息，高实时性获取三维数据立方，不含有运动推扫部件，具有集成化、轻型化和稳定性好等优势。

说明书

技术领域

本发明涉及成像光谱探测仪器技术领域，具体涉及一种分通道快照式干涉成像光谱仪，更具体涉及到一种利用透镜阵列多重成像并利用球面阶梯式阵列反射镜进行空间相位调制和光场远心度调制的分通道快照式干涉成像光谱仪。

背景技术

图谱合一的成像光谱仪作为人们对物质探测记录和分析识别的重要手段，被广泛应用于各个领域，包括大气监测、空间探测、地球遥感以及生物医学等。目前，大部分成像光谱仪采用面阵探测器来获取二维图像或者一维狭缝像加一维光谱，并通过波长扫描或者狭缝扫描来获取另一维光谱或目标图像，无论是进行波长扫描还是狭缝扫描，都需要进行一维时间推扫。这种实现图谱采集方式的缺点在于一般需要较复杂的机械运动结构，这样会使仪器的体积和质量较大，不利于仪器小型化发展。并且时间推扫的过程使仪器不利于实施动态场景目标的探测，降低对于场景目标记录识别的时效性。

本发明提出一种基于透镜阵列和球面阶梯式阵列反射镜的分通道快照式干涉成像光谱仪。是一种利用准直镜和前置透镜阵列对目标场景进行多通道光场传输，并利用球面阶梯式阵列反射镜对多通道光场进行空间相位调制和光路远心度调制的成像光谱仪。透镜阵列用于将目标场景入射光场进行多成像通道传输，弧矢向和子午向球面阶梯式阵列反射镜按阶梯排布方向正交放置形成多个干涉光场传输的干涉通道。成像通道与干涉通道一一对应，实现分通道快照干涉成像。本发明实现单次测量获取图谱信息，无推扫运动部件，具有结构紧凑、实时性好、静态调制、集成度高、探测速度快的优点；对于分通道快照干涉成像光谱仪来说，成像分辨率和成像远心度是相互制约的，即若想得到高分辨率成像，就必须牺牲远心度，想得到高远心度的成像，就必须牺牲分辨率。然而，高分辨率能够提高图像清晰度，高远心度能够提高像面光照均匀度和边缘视场的MTF，因此二者都是至关重要的。本发明提出的球面阶梯式阵列反射镜，对每个传输通道的光场实现远心度调制，使每个通道的干涉光场都实现高分辨率和高远心度成像，弥补了二者之间相互制约的缺陷。

发明内容

本发明为解决传统成像光谱仪实时性较差，体积重量较大的问题，同时也为解决快照干涉成像光谱仪每个通道干涉成像的高MTF和高分辨率之间相互制约的问题，提供一种基于透镜阵列和球面阶梯式阵列反射镜快照式成像光谱仪。

基于透镜阵列和球面阶梯式阵列反射镜快照式成像光谱仪，包括准直镜、透镜阵列、分束器、弧矢向球面阶梯式阵列反射镜、子午向球面阶梯式阵列反射镜、中继成像系统和探测阵面；

通过准直镜和透镜阵列对目标场景入射光场进行多成像通道传输，弧矢向球面阶梯式阵列反射镜和子午向球面阶梯式阵列反射镜对多成像通道传输的光场进行相位调制和光路远心度调制，所述弧矢向球面阶梯式阵列反射镜和子午向球面阶梯式阵列反射镜正交放置，形成多个干涉光场并行传输的干涉通道；

成像通道与干涉通道一一对应，所述干涉光场传输到中继成像系统，所述中继成像系统将分通道传输的干涉光场耦合到探测阵面，形成干涉图像阵列。

进一步地，所述透镜阵列由多个透镜单元组成，透镜单元数量与成像通道数量相等；所述球面阶梯式阵列反射镜由多个反射镜单元组成，反射镜单元数量与干涉通道数量相等；一个透镜阵列单元对应一个成像通道，一个弧矢向球面阶梯式阵列反射镜单元或子午向球面阶梯式阵列反射镜单元对应一个干涉通道，为保证成像通道和干涉通道相匹配，所述透镜阵列单元的形状尺寸应与弧矢向球面阶梯式阵列反射镜或子午向球面阶梯式阵列反射镜单元的形状或尺寸一致。

进一步地，弧矢向球面阶梯式阵列反射镜和子午向球面阶梯式阵列反射镜均为在具有阶梯排布的多级反射镜的每一级阶梯上并列加工多个球面反射镜单元的器件；

可根据调制光场远心度的需要，将球面反射镜单元曲率半径c设计为不同值，若c＞0，为凸面反射单元；若c＞0，为凹面反射单元；或者根据调制光场远心度的需要，将球面反射镜单元设计成非球面反射镜单元。

本发明的有益效果：

本发明基于透镜阵列和球面阶梯式阵列反射镜的分通道快照式干涉成像光谱仪，通过透镜阵列和球面阶梯式阵列反射镜实现光场分通道成像与相位调制，实现成像通道和干涉通道的光场匹配，获取干涉图像阵列，可以得到任一目标场景点的干涉强度序列，重构该目标点的光谱信息。本发明不具有复杂的运动部件，单次测量便可以同时获取图谱信息，具有高稳定性和实时性的优势，且提高了系统的微小型化和集成化程度。并且，本发明提出的球面阶梯式阵列反射镜，对每个传输通道的光场实现相位调制的同时也实现了远心度调制，使每个通道的干涉光场都实现高分辨率和高远心度成像，弥补了二者之间相互制约的缺陷，同时提高了成像单元的分辨率和MTF。

附图说明

图1为本发明所述的基于透镜阵列和球面阶梯式阵列反射镜的分通道快照式干涉成像光谱仪的原理结构图。

图2中2(a)和2(b)分别为方形单元透镜阵列和圆形单元透镜阵列的示意图。

图3为以方形单元为例的弧矢向球面阶梯式阵列和子午向球面阶梯式阵列形成空间相位分布示意图。

图4为图1中的前置准直镜1和透镜阵列2的结构光路图。

图5为表现球面阶梯式阵列反射镜对光路的远心度调制作用的光路图，图5—A为入射光路图，图5—B为出射光路图。

图6为图1中中继成像系统6的结构光路图。

图7为系统各视场的传递函数MTF示意图。

图8为对干涉图像阵列进行图像分割、图像对准、以及傅里叶变换后得到图谱三维数据立方过程。

图9为实施例2的原理结构图。

具体实施方式

具体实施方式一、结合图1至图8说明本实施方式，基于透镜阵列和球面阶梯式阵列反射镜的分通道快照式干涉成像光谱仪，如图1所示，包括准直镜1、透镜阵列2、分束器3、弧矢向球面阶梯式阵列反射镜4、子午向球面阶梯式阵列反射镜5、中继成像系统6和探测阵面7。

目标场景光场经准直镜1准直为各视场平行光场出射，透镜阵列2将各视场入射的平行光场进行分割，分成像通道进行光场传输，分束器3将各个成像通道光场等强度分束，一部分光场传输到弧矢向球面阶梯式阵列反射镜4处，另一部分光场传输到子午向球面阶梯式阵列反射镜5处，弧矢向和子午向球面阶梯式阵列反射镜位于透镜阵列2的后焦面或与分束器3对称的镜像面上，即弧矢向和子午向球面阶梯式阵列反射镜相对于分束器镜像对称，阶梯排列方向分别为沿光轴的弧矢向和沿光轴的子午向，互相正交。从而在横向空间分割出多个相位及远心度调制单元，每一个相位调制单元即远心度调制单元对应一个干涉光场传输通道。每个成像通道内的传输光场经过弧矢向和子午向球面阶梯式阵列反射镜的特定相位调和远心度调制，通过干涉通道传输到探测阵面上以特定的相位差叠加，形成目标场景的干涉图像阵列。每个干涉图像单元包含目标场景的全部图像信息和光谱信息，每个图像单元对应一个干涉光场传输通道和一个成像光场传输通道。

本实施方式中，所述透镜阵列2由多个透镜单元组成，透镜单元数量与成像通道数量相等；弧矢向球面阶梯式阵列反射镜4和子午向球面阶梯式阵列反射镜5分别具有弧矢向排布和子午向排布的阶梯式结构，每一级阶梯结构上有多个连续分布的反射镜单元。所以弧矢向球面阶梯式阵列反射镜4和子午向球面阶梯式阵列反射镜5均由多个反射镜单元组成，反射镜单元数量与干涉通道数量相等。

弧矢向球面阶梯式阵列反射镜4或子午向球面阶梯式阵列反射镜5的每个球面反射单元对应一个成像光场通道和一个干涉光场通道，经成像通道传输的光场在每个球面反射单元进行相位调制，同时特定曲率半径的球面反射结构可以将低远心度光场调制成高远心度光场，使球面反射单元出射到干涉通道的光场物方远心出射，与采用物方远心设计的后置中继成像系统相匹配。

本实施方式中，球面阶梯式阵列反射镜的尺寸和形状特点，由其工作特点决定；基于球面阶梯式阵列反射镜的每个球面反射单元与成像通道和干涉通道的对应关系，则有透镜阵列中每个透镜单元的形状和大小与球面阶梯式阵列反射镜单元的形状和大小相同。例如若设定透镜阵列中每个透镜单元为尺寸为b的方形单元，则每个球面反射单元为尺寸为b的方形反射单元。这里仅设定了其中的一种情况，实际上，反射单元和阵列单元可以按照实际应用的要求设计成为任意的形状和尺寸。但不同的形状和尺寸会对每个成像通道的视场范围，像点光谱信噪比，成像单元的分辨率，探测阵面上成像单元的占空比以及器件的加工难度产生影响。

弧矢向和子午向球面阶梯式阵列反射镜均为在具有阶梯排布的多级反射镜的每一级阶梯上并列加工多个单元球面反射镜的器件。阶梯排布的结构使其具有调制光场相位即光程的特性，球面反射单元的结构使其具有调制光场远心度的特性，根据调制远心度的需要，可以将球面反射单元设计为不同的曲率半径c。若c＞0，为凸面反射单元；若c＞0，为凹面反射单元。或者根据调制远心度的需要，也可以将反射单元设计成非球面反射单元。

本实施方式中，设定弧矢向阶梯式阵列反射镜的弧矢向阶梯数目为M，每一级阶梯反射镜单元子午向阵列数目为N；子午向阶梯式阵列反射镜的子午向阶梯数目为N，每一级阶梯反射镜单元弧矢向阵列数目为M，因此两种球面阶梯式阵列反射镜的反射单元数目均为M×N，为保证成像光场通道和干涉光场通道相匹配，若透镜阵列单元数目为M

透镜阵列单元的入瞳位置为透镜单元的前表面，光场通过成像通道传输到球面阶梯式阵列反射镜，单通道的成像充满反射单元。经球面反射单元进行相位调制和远心度调制，光场以物方远心出射，经干涉光场通道和中继成像系统耦合到探测阵面。中继成像系统采用物方远心设计，其物方数值孔径与透镜阵列单元的像方数值孔径相等，其出瞳与探测器的冷光阑相匹配，满足100％效率冷光阑匹配。

对于干涉图像阵列，对其进行图像的边缘检测、分割、降维、光谱重构等数据处理步骤，才能获取图谱三维数据立方。由于弧矢向阶梯式阵列反射镜的弧矢向阶梯数目为M，子午向阶梯式阵列反射镜的子午向阶梯数目为N。所以干涉图像阵列中图像单元的数量为M×N，设定每一个图像单元的分辨率为k×k，探测阵面对干涉图像阵列的接受需要像元数量为kM×kN，进行上述的数据处理步骤后能够得到(k，k，M×N)的三维图像立方，对每幅图像单元对应点所得到的干涉强度序列进行傅里叶变换，近一步得到三维图谱数据立方。

由于球面阶梯式阵列反射镜的调制作用，对于探测阵面上干涉图像阵列中的每一幅干涉图像单元来说，每一个场景中特定目标点的采样光程虽然未必相同，但将场景特定目标点放在干涉图像阵列中，每个场景目标点所得到的干涉强度序列对应的采样光程差序列是相同的。因此，理论上可以重构出干涉图像单元上的任一场景目标点的光谱信息。

具体实施方式二、结合图2(a)和图1以及图3—8说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的基于透镜阵列和球面阶梯式阵列反射镜的分通道快照式干涉成像光谱仪的实施例1：结合图2说明本实施例，如图2(a)所示对透镜阵列的透镜单元采用方形单元设计，设定尺寸为b×b，此时的弧矢向和子午向的球面阶梯式阵列反射镜单元也为尺寸为的b×b方形单元。所述弧矢向球面阶梯式阵列反射镜或子午向球面阶梯式阵列反射镜的多个反射镜单元为一体制作成型。

本实施例中透镜阵列2的相位调制函数为：

式中，f

该透镜阵列单元视场为：

带有目标场景图谱信息的光场经准直镜1准直成多视场出射的平行光场，多视场出射的平行光场经透镜阵列2进行分光场调制，由透镜阵列2出射的光场多成像通道并行传输。每一通道所传输光场都带有目标场景完整的图谱信息。

经过分束器3，并行传输的光场被等强度分束，等强度的两方向传输的光场分别传输到弧矢向球面阶梯式阵列反射镜4和子午向球面阶梯式阵列反射镜5。弧矢向球面阶梯式阵列反射镜4和子午向球面阶梯式阵列反射镜5相对于分束器处于镜像位置，弧矢向球面阶梯式阵列反射镜4和子午向球面阶梯式阵列反射镜5的阶梯排列方向是正交的，每个正交形成的空间相位调制单元对应一个弧矢向球面阶梯式阵列反射镜单元和一个子午向球面阶梯式阵列反射镜单元。每个相位调制单元对应一个干涉通道。

所述的多通道并行传输到弧矢向和子午向球面阶梯式阵列反射镜的光场，每个通道的光场会受到球面反射单元的相位调制和远心度调制。每个通道的相位调制通过对应的球面反射单元所处阶梯级数的不同来实现，球面反射单元同时会对不同视场入射光场的方向进行调制，使反射的光场满足物方远心出射。

本实施例中的透镜阵列单元尺寸为b×b的方形单元，为保证成像通道与干涉通道相匹配，弧矢向球面阶梯式阵列反射镜和子午向球面阶梯式阵列反射镜单元也为b×b的方形单元。单元视场也为

本实施例中，弧矢向球面阶梯式阵列反射镜4的阶梯排列方向与光轴弧矢向同向，每一级阶梯球面反射单元沿光轴子午向呈阵列排布。子午向球面阶梯式阵列反射镜5的阶梯排列方向与光轴子午向同向，而每一级阶梯球面反射单元沿光轴弧矢向呈阵列排布。

结合图3说明本实施例，图3所示弧矢向和子午向球面阶梯式阵列反射镜正交放置，形成M×N个干涉光场传输通道，每一个干涉通道对应一个光程差，设定弧矢向球面阶梯式阵列反射镜的第m阶和子午向球面阶梯式阵列反射镜的第n阶形成干涉通道(m，n)。在图3中，设定以弧矢向球面阶梯式阵列反射镜单元4—1为基准，则相对于弧矢向球面反射镜单元4—1来说弧矢向球面反射镜单元4—2的阶梯高度为d，弧矢向球面反射镜单元4—2相对于4—1对目标场景成像上的每一采样像点的相位调制量为4πνd，第M－1个弧矢向球面阶梯式阵列反射镜单元相对于弧矢向球面反射镜单元4—1对目标场景成像上的每一采样像点的相位调制量为4πν(M-1)d。对于子午向球面阶梯式阵列反射镜来说，以子午向球面反射镜单元5—1为基准，每级阶梯的采样间隔为Md，因此第N－1个子午向球面阶梯式阵列反射镜单元相对于子午向球面反射镜单元5—1对目标场景成像上的每一采样像点的相位调制量为4πν(N-1)Md。

本实施例中，所述弧矢向球面阶梯式阵列反射镜4的相位调制函数如下所示：

子午向球面阶梯式阵列反射镜5的相位调制函数如下所示：

式中，f为球面反射单元的焦距，λ为波长，rect是矩形函数，j为虚数。

每一个干涉通道(m，n)对应一个特定的相位差，若弧矢反射镜单元4—1和子午反射镜单元5—1相对于分束器重合。则干涉通道(1，1)的相位差为0，干涉通道(2，1)的相位差为

本实施例的透镜阵列2将光场分成像通道并行传输，弧矢向和子午向球面阶梯式阵列反射镜将光场进行调制并分干涉通道并行传输，每一个成像通道的像方视场对应于一个干涉单元，即一个成像通道对应于一个干涉通道。如图4所示，由图1中的准直镜1和透镜阵列2，将目标场景光场实现分成像通道传输。

结合图5说明本实施例，本实施方式的弧矢和子午向球面阶梯式阵列反射镜除对光场进行相位调制外，同时对光场的传播方向进行调制，以实现调制光场远心度的目的。如图5中A是每个透镜单元所对应成像通道的入射光路结构，光束满足充满透镜单元入瞳，使透镜单元入射光通量最大。在相对应的弧矢和子午向球面阶梯式阵列反射镜上成像。如图5中B所示为弧矢和子午向球面阶梯式阵列反射镜对入射的光束进行远心度调制，出射的光束符合物方远心设计，并且每个视场的物方数值孔径等于图5中A中的入射光路的像方数值孔径。

本实施例中，弧矢向和子午向球面阶梯式阵列反射镜的反射单元，球面反射单元结构设计为曲率半径为－111.2的球面反射镜，用于改变各视场角入射光场的传输方向，实现光路高远心度的调制。

本实施例的中继成像系统如图6所示，采用物方远心设计，弧矢和子午向球面阶梯式阵列反射镜不改变透镜阵列出射光束的像方数值孔径。为实现成像通道和干涉通道的匹配，中继成像系统的物方数值孔径与透镜阵列透镜单元的像方数值孔径相等。

结合图7说明本实施例，中继成像系统的视场大小等于弧矢和子午向球面阶梯式阵列反射镜的对角视场，设定中继成像系统的视场为Θ，设定弧矢和子午向球面阶梯式阵列反射镜的阶梯级数分别为M和N，每个球面阶梯式阵列反射镜单元的尺寸为b，则有

结合图8说明本实施例，本实施方式的中继成像系统将携带图谱信息的光场耦合到探测器上。探测器上成像的干涉图像阵列含有M×N个干涉图像单元，设定每一个干涉图像单元所占像素为k×k，对干涉图像首先进行图像分割，将干涉图像阵列分割成对应不同相位差的干涉图像单元。对干涉图像单元进行降维处理，将干涉图像单元按照相位差的顺序构造干涉图像数据立方，将干涉图像单元按照相位差顺序排列为k×k×(M×N)的干涉图像数据立方。最后进行光谱解调，将干涉图像数据立方通过傅里叶变换解调为图谱数据立方，即将干涉图像数据立方每个k×k平面上的各个五点沿着(M×N)方向作离散傅里叶变换，最终获得k×k×(M×N)的图谱数据立方。

具体实施方式三、结合图2(b)和图9本实施方式为具体实施方式一所述的基于透镜阵列和球面阶梯式阵列反射镜的分通道快照式干涉成像光谱仪的实施例2。本实施例中，将透镜阵列2、弧矢向球面阶梯式阵列反射镜4、子午向球面阶梯式阵列反射镜5替换为透镜阵列8、弧矢向球面阶梯式阵列反射镜9、子午向球面阶梯式阵列反射镜10。

本实施例2将实施例1中的透镜阵列单元和弧矢/子午球面阶梯式阵列反射镜单元的形状由方形设计改变为圆形设计，圆形单元的直径为b，即几何关系上内切于实施例1中所述的方形单元。如图2(b)所示。此时，透镜阵列单元的视场为Φ

实施例2与实施例1的具体差异为：

透镜阵列的相位调制函数，实施例2的调制函数为：

式中，circ为圆函数。

弧矢向球面阶梯式阵列反射镜的相位调制函数为：

实施例2的子午向球面阶梯式阵列反射镜的相位调制函数为

上述对实施例1和实施例2的对比可以看到，实施例2中透镜单元所对应的视场与实施例1中相比有所减小，即干涉成像单元所对应的视场有所减小，因此实施例2中，每个干涉成像单元所包含的场景图像信息要少于实施例1；并且由于在探测器上同样以阵列形式成像，若实施例1中的每个成像单元的占空比为1，而实施例2中的占空比为π/4，因此最终实施例1中的成像占空比要高于实施例2。以上为实施例1的优势所在。

但与实施例2相比，由于实施例1中相邻透镜阵列单元所对应的视场边角均相邻，透镜阵列单元边缘视场成像到其对应的球面阶梯式阵列反射镜单元时，易造成像点强度信息混叠到相邻的反射镜单元，从而在对该像点的光谱信息进行重构时，降低光谱的信噪比。而实施例2中的相邻反射镜单元为外切关系，不存在边缘视场像点强度信息混叠的情况，保证重构光谱的信噪比。

与实施例2相比，实施例1的弧矢向和子午向球面阶梯式阵列反射镜由于其每级阶梯上的各反射镜单元边角相邻，加工难度较大，实施例2相比于实施例1更易实现核心器件制作。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例，而并非对实施方式的限定。只要功能未改变，基于透镜阵列和球面阶梯式阵列反射镜的分通道快照式干涉成像光谱仪在上述说明的基础上，其基本元件就可做出其它不同形式的变化或变动而不超出本公开的范围，例如改变透镜阵列单元或弧矢向和子午向球面阶梯式阵列反射镜单元的形状、尺寸以及曲率半径等等，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。