明实施例中，选取462. 5nm、587. 5nm、712. 5nm和 837. 5nm四个光谱波段进行点列图和MTF值分析。
[0027] 图4为各个视场在像平面上的点列图，包含如下五个个视场：(x = 0.00, y = 0· 00)，（X = 0· 00, y = 1. 25)，（X = 1. 25, y = 0· 00)，（X = 0· 00, y = -1. 25)和（X = -1. 25, y =0. 00)，图中的圆表示光学系统的艾里斑大小。各个视场光线所成像点的RMS半径均小于 4. 5 μ m(探测器像元尺寸9 μ m)，从而保证系统具有良好成像质量。
[0028] 图5为优化设计得到系统的MTF曲线，包含如下五个视场：(X = 0. 00, y = 0. 00)， (X = 0· 00, y = 1. 25)，（X = 1. 25, y = 0· 00)，（X = 0· 00, y = -1. 25)和（X = -1. 25, y = 0. 00)，在焦平面等效像元尺寸对应的奈奎斯特频率561p/mm处，除837. 5nm这一谱线的传 递函数值大于〇. 7外，其余各单色光MTF值均在0. 8以上，其成像质量接近衍射极限。
[0029] 本发明实施例所提供的快照式多谱段光谱成像仪，并没有入射狭缝，光通量高，且 没有运动部件，无需推扫和凝视成像，在面阵探测器一帧成像，不同光谱的二维空间信息成 阵列组合成像在探测器上，在一次曝光就能同时获得目标的空间信息和光谱信息；同时，没 有后续反演算法的需求，可实现动态目标实时光谱测量，在探测灵活变化目标方面，具有很 大的优势；另外，加工工艺相对简单。由此仪器的体积、重量、功耗等等，都十分容易控制，满 足各种小型设计需求。
[0030] 本发明实施例还提供一种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法，该方法基于前 述的快照式多谱段光谱成像仪实现，成像过程如下：光束由物镜入射，经准直镜后平行入射 分光结构，在分光结构中，光束被分光为N束，之后射入成像镜成像，再经过滤光片阵列进 行滤波与补偿光程差，最后在探测器上得到的是N个波段纯净且成像准确的像。
[0031] 本发明实施例中，所述分光结构可以让一平行光束随光波长不同分别折射成不同 角度输出到探测器上，通过多次双折射的方法实现光谱和图像同时快照式一次成像。具体 来说，所述分光结构包含平行设置的起偏器、四个波片以及四个Wollaston棱镜，其中穿插 设置的四个波片以及四个Wollaston棱镜组成四个光束分离器，当光束射入分光结构后， 被分束为2 4= 16束光。
[0032] 分光结构是快照式多谱段光谱成像仪的核心器件，输入景物图像复制、分离的数 量和质量，主要依赖于光束分离器的数量，换句话说，每增加一个光束分离器（即设置光谱 数量2倍增多），意味着光束被双折射复制、分离的次数越多，其输出的各个光谱波段就存 在波峰的偏移。
[0033] 而且光束分离器中的核心器件一Wollaston棱镜的棱镜角度、材料选择的不同 都会引起棱镜自身的双折射率、色散、像差等发生变换。多个WolIaston棱镜的联合使用下 多次分光，会造成明显的色差，影响最终输入图谱的光谱信息；以及多路分光光束在一个共 同探测器面阵成像时，各自复分图像区域混叠的情况，需要重点分析和设计Wollaston棱 镜，消除这类情况。
[0034] 下面重点分析分光结构。如图6所不光束分离器结构，其中波片选用二分之一波 片，假设二分之一波片（相位延迟器）的厚度为d，偏振片的偏振轴与波片快轴成45°角， 则入射线偏振光进入波片后相位延迟差S (λ)，写为公式（1):
[0035]
[0036] 其中Β(λ)表示波长λ下的双折射率，这里波数
。用Jones表示法表示 入射偏振光的传输过程，用P表不起偏器Jones矩阵，用R表不波片Jones矩阵，E表不光 波电磁场矢量，则
[0037]
[0038]
[0039]
[0040]
[0041] E矩阵中只有快轴的光，并忽略吸收光。因此，这个起偏器和波片组成的光束分离 系统的传输函数r (K)可以表示为
[0042]
[0043] 其中1 = π Bd，如果系统有M组个光束分离器数量，则多组光束分离器的分光结构 传输函数r ( κ )
[0044]
[0045] Wollaston棱镜有起偏和分束特性，利用它可以获得两束振动方向互相垂直、按一 定角度分开的平面偏振光。本发明实施例中用它代替有起偏作用的偏振片，与波片构成光 束分离器，如图2所示的分光结构中，其包含了 4个Wollaston棱镜，与穿插设置的波片共 同组成了四个光束分离器。设置do e和de e分别是〇、e光在Wollaston棱镜中传输距离， 其传输函数应为
[0046]
[0047] 因此，本发明系统成像传输函数应该为
[0048]
[0049] 以上所述，仅为本发明较佳的【具体实施方式】，但本发明的保护范围并不局限于此， 任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换， 都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范 围为准。
【主权项】
1. 一种快照式多谱段光谱成像仪，其特征在于，包括：依次设置且相互平行的物镜、准 直镜、分光结构、成像镜、滤波片阵列与探测器；其中：所述分光结构为基于Wollaston棱镜 的分光结构。2. 根据权利要求1所述的快照式多谱段光谱成像仪，其特征在于，所述分光结构包括： 平行设置的起偏器、四个波片以及四个Wollaston棱镜；其中，四个波片以及四个 Wollaston棱镜穿插设置。3. -种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法，其特征在于，基于权利要求1-2任一 项所述的快照式多谱段光谱成像仪实现，光束由物镜入射，经准直镜后平行入射分光结构， 在分光结构中，光束被分光为N束，之后射入成像镜成像，再经过滤光片阵列进行滤波与补 偿光程差，最后在探测器上得到的是N个波段纯净且成像准确的像。4. 根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述分光结构包含平行设置的起偏器、四 个波片以及四个Wollaston棱镜，其中穿插设置的四个波片以及四个Wollaston棱镜组成 四个光束分离器，当光束射入分光结构后，被分束为2 4= 16束光。
【专利摘要】本发明公开了一种快照式多光谱的图像复分光谱成像方法和光谱成像仪，相关光谱成像仪包括：依次设置且相互平行的物镜、准直镜、分光结构、成像镜、滤波片阵列与探测器；所述分光结构为基于Wollaston棱镜的分光结构，其包括平行设置的起偏器、四个波片以及四个Wollaston棱镜；其中，四个波片以及四个Wollaston棱镜穿插设置。本发明公开的快照式多谱段光谱成像仪，其输出图像无需后续数据处理任务，可以直接应用，同时，该成像仪原理简单，加工简单并且成本低，满足小型设计的要求。
【IPC分类】G01J3/28
【公开号】CN105157835
【申请号】CN201510587654
【发明人】马培培, 刘扬阳, 吕群波, 裴琳琳, 方煜
【申请人】中国科学院光电研究院
【公开日】2015年12月16日
【申请日】2015年9月15日