专利名称：高通量层析成像光谱装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种高通量层析成像光谱装置，适用于军事目标探测、土地资源勘查、环境监测、海洋资源普查、自然灾害监测与评估、天文学研究、大气探测。
目前成象光谱仪主要有三种类型，色散型、干涉型和层析型。其中色散型已处于应用阶段，它的特点是原理简单、性能稳定，但是能量利用率低；干涉型已处于原理研制和初步试用阶段，并出现了各种形式的干涉型成象光谱仪，如时间调制型、空间调制型和大孔径静态干涉型等，其中中科院西安光机所研制的大孔径静态干涉成象光谱仪是性能最突出的代表。时间调制型成象光谱仪在凝视方式下成象，它通过推扫光程差的方法实现光谱成象；而空间调制型成象光谱仪工作在推扫方式下，它通过推扫视场的方法得到二维目标的光谱象。层析型崭露头角，它具有空间和光谱多通道优点。目前层析型主要有两种形式光栅型和直视棱镜型。光栅型层析成象光谱仪能够在一次曝光时间里获得目标的光谱象，而不需任何形式的扫描，但是它的视场角较小，对探测器的性能和象元数要求太高。直视棱镜型层析成象光谱仪的工作方式与动镜型干涉成象光谱仪相似，需要在凝视成象模式工作，但是它没有任何分束器件，能量利用率与普通照相机的一样，是目前所有成象光谱仪中能量利用率最高的一种。虽然在该仪器中有一运动部件，即直视棱镜，但直视棱镜在电机驱动下连续(或步进)旋转，并不产生额外的动量冲量，它也是工作比较稳定的仪器，特别是与动镜型相比较，它无需高精度的控制机构。麻萨诸塞州的Hanscom空军基地Rome实验室已开展基于直视棱镜的层析成象光谱技术的研究，它用直视棱镜作为色散器件，直视棱镜由一低速连续旋转的电机带动，绕光轴连续旋转。在绕光轴旋转一周的时间里，他们获取多帧投影图像，然后利用获取的多帧投影图像重构光谱象(也就是数据立方体)，图像重构过程较复杂(SPIE Vol，3118(1997)pp170～178)，重构算法的信噪比较差。重构算法的信噪比比较差。
本实用新型的目的是提供了一种高通量层析成像光谱装置，在旋转机构内装有直视棱镜，结构简单，工作稳定，重构算法快速收敛成像。
为了达到上述目的，本实用新型采用以下技术措施高通量层析成像光谱装置由物镜、视场光阑、准直镜、旋转机构、直视棱镜、成像镜和CCD探测器及信号获取与处理系统7组成。物镜、视场光阑和准直镜组成前置光学系统，它将目标辐射转为具有一定视场角的平行光，同时也可以防杂光。直视棱镜位于准直镜和成像镜之间的平行光路里，一束复色平行光经直视棱镜后，被色散为不同波长的平行光，最后由CCD探测器在成像镜的后焦面上接收因色散而模糊的像。旋转机构由步进电机和一对啮合齿轮构成，步进电机控制方便，有自动锁动功能，这使得它易于控制旋转角。通过步进电机驱动、啮合齿轮传动，带动直视棱镜绕光轴旋转，步进电机每走一步，它带动齿轮旋转0.9°，通过齿轮耦合也带动直视棱镜旋转0.9°。成象镜将投影象收集在CCD探测器上。直视棱镜使平行光束在中心波长时不发生偏折，在其它波长向上下两端方向偏折，这使得当直视棱镜绕光轴旋转时，图像中心在CCD探测器上的位置不变。如果在直视棱镜每旋转过一定的角度后摄取一幅图像，那么信息获取与处理系统便可利用这些不同旋转角的投影象，应用新型层析算法，重构出超光谱图象，即数据立方体。
本实用新型把层析理论引入成象光谱，它通过旋转直视棱镜，在不同的旋转角度获得色散象，这些色散象也就是数据立方体在不同角度的投影象。层析的理论表明，如果能够得到三维物体的不同投影角度的投影象，那么，有可能对这些投影象进行逆投影变换，从而得到所要重构的三维物体。从理论上讲需要无穷多个或连续的投影数据才可以得到完善的重构。一般利用有限个投影角的数据即可得到满意的重建。这种重构算法能够获得目标的50个以上角度的色散投影象，便得到满意的光谱图象(80个波段以上)。
直视棱镜由两块玻璃胶合而成，一块为低折射率、高色散系数的K9玻璃，另一块为高折射率、低色散系数的ZF6玻璃，两块玻璃的各个面有倾斜角。K9和ZF6是两种比较常规的玻璃，他们的物理特性也比较好，二片式直视棱镜也易于加工。采用这种直视棱镜的成象光谱仪保证了直视棱镜旋转时，投影图像的中心位置在象面上是不动的。
本实用新型与现有技术相比，具有以下优点和效果结构简单，高通量，高光谱，多通道，高信噪比，性能优良，工作稳定，重构算法快速收敛，对静止目标进行高速成像(在地球同步轨道便是如此)，获得目标的数据立方体在不同投影角度的投影象，对这些投影象进行融合便可重构目标的数据立方体。
图1为高通量层析成像光谱装置的结构示意图。
图2为高通量层析成像光谱装置的俯视图。
图3为直视棱镜的示意图。
以下结合附图对本实用新型作进一步详细描述根据图1、图2可知，高通量层析成像光谱装置由物镜1、准直镜3、直视棱镜4、成像镜5、CCD探测器6构成。物镜1将目标成象在视场光阑2上，也就是说，目标的一次象位于视场光阑2上，视场光阑2位于准直镜3的前焦面上，一次象面上的一点(即目标上相对应的点)发出的光束经准直镜3后，变成一束平行光。这束平行光经直视棱镜4后被色散开，成象镜5将色散开的投影象收集到CCD探测器6的象面上。旋转机构7内装有直视棱镜4，旋转机构7带动直视棱镜4绕光轴旋转，旋转一定角度后摄取一幅投影像，每一个旋转角度对应了一个从数据立方体到投影像的投影角度。旋转机构7由步进电机9、主动齿轮10和从动齿轮11组成，步进电机9与箱体8相连，步进电机9与主动齿轮10连接，步进电机9带动主动齿轮10旋转，主动齿轮10与从动齿轮11相啮合，主动齿轮10带动从动齿轮11一起旋转，传动比为1∶1。从动齿轮11与直视棱镜4相连，也就是将直视棱镜4固定在从动齿轮11里面，从动齿轮11一端装有轴承12，另一端与连轴13连接，连轴13上装有轴承14，轴承12和轴承14固定在支架15上。从动齿轮11带动直视棱镜4旋转。信号获取与处理系统由图像采集卡、计算机、层析成象光谱仪的软件组成。它将CCD探测器探测到的多帧不同角度的投影图象经A/D转换后，存储在计算机里，层析成象光谱仪的软件调用这些存储的多帧投影图像，并经过重构处理，得到目标的光谱象(也就是数据立方体)。
按图3可知，它由一块K9玻璃棱镜和一块ZF6玻璃棱镜组成，K9玻璃放在ZF6前面。K9玻璃的截面呈等腰直角三角形，光束入射面在直角面，胶合面在斜面上，ZF6玻璃的截面呈钝角三角形，胶合面在钝角三角形的最长边上，光束出射面和胶合面的夹角为28.1188°。这种直视棱镜对580nm波长的入射光线是不偏折的，如同平板玻璃一样，但其它波长的入射光线是朝两端偏折的。这样，当旋转直视棱镜时，投影图像的中心位置是不变的。
权利要求1.一种高通量层析成像光谱装置，它由物镜(1)、准直镜(2)、成像镜(5)构成，其特征是旋转机构(7)内装有直视棱镜(4)，步进电机(9)与主动齿轮(10)连接，从动齿轮(11)与直视棱镜(4)连接。
2.根据权利要求1所述的一种高通量层析成像光谱装置，其特征在于主动齿轮(10)与从动齿轮(11)相啮合。
3.根据权利要求1所述的一种高通量层析成像光谱装置，其特征是从动齿轮(11)一端装有轴承(12)，另一端与连轴(13)连接，连轴(13)上装有轴承(14)，轴承(12)与轴承(14)固定在支架(15)上。
专利摘要一种高通量层析成像光谱装置,它由物镜、准直镜、直视棱镜、成像镜、CCD探测器构成,旋转机构内装有直视棱镜,步进电机与箱体相连,步进电机与主动齿轮连接,主动齿轮与从动齿轮相啮合,从动齿轮与直视棱镜相连,从动齿轮一端装有轴承,另一端连接连轴,连轴上装有轴承,轴承安装在支架上。本实用新型结构简单,具有高通量、高光谱、多通道、高信噪比,性能优良,工作稳定,重构算法快速收敛,对静止目标进行光谱成像。
文档编号G01J3/14GK2401883SQ99256128
公开日2000年10月18日 申请日期1999年12月28日 优先权日1999年12月28日
发明者相里斌, 袁艳, 刘良云 申请人:中国科学院西安光学精密机械研究所