一种高分辨率红外成像光谱仪及其成像方法技术

本发明专利技术公开了一种高分辨率红外成像光谱仪，包括前置扫描反射镜、前置物镜组、狭缝阵列、准直物镜组和光栅棱镜组，所述狭缝阵列的狭缝方向与前置扫描反射镜的扫描方向垂直，所述光栅棱镜组后方依次设置有成像物镜组和红外探测器焦平面阵列，所述前置扫描反射镜的反射面与光轴呈45°倾角，所述的狭缝阵列设置在前置物镜组的焦面上，狭缝阵列的狭缝方向与红外探测器焦平面阵列的水平像素方向平行；还公开了一种高分辨率红外成像光谱仪的成像方法，本发明专利技术有效解决了空间分辨率、光谱分辨率以及成像数据率之间的矛盾，实现了大视场高数据率的光谱图像采集，在保证分辨率的前提下，极大提高光谱图像的数据率，并且结构紧凑，成本较低。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于红外光谱成像
，具体涉及一种基于狭缝阵列扫描技术的高分辨率红外成像光谱仪，以及其成像方法。
技术介绍
传统的成像光谱仪需要在成像速度和成像分辨率之间寻找到一个平衡点。提高系统的空间维的像素数量则意味着系统可以对获得更大的视场或者对目标具有更高的分辨率，但是这给系统获得光谱图像的速率带来了很大的压力。在很多应用中，需要成像光谱仪同时具有较高的空间分辨率、光谱分辨率、以及较高的成像速率。因此有必要提出一种高分辨率的红外成像光谱仪，使得能够在获得高空间分辨率和光谱分辨率的超光谱图像数据时，不需要太牺牲成像速率，满足在线实时的光谱成像。
技术实现思路
针对现有技术的不足，本专利技术的目的之一在于提供一种高分辨率红外成像光谱仪，其主要基于狭缝阵列扫描技术，克服了传统的光栅型成像光谱仪不能同时实现高帧频和高分辨率的问题。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高分辨率红外成像光谱仪，包括设置在同一光轴上的前置扫描反射镜、前置物镜组、狭缝阵列、准直物镜组和光栅棱镜组，所述狭缝阵列的狭缝方向与前置扫描反射镜的扫描方向垂直，所述光栅棱镜组后方依次设置有成像物镜组和红外探测器焦平面阵列，所述前置扫描反射镜的反射面与光轴呈45°倾角，所述的狭缝阵列设置在前置物镜组的焦面上，狭缝阵列的狭缝方向与红外探测器焦平面阵列的水平像素方向平行。所述的一种高分辨率红外成像光谱仪，其狭缝阵列为一片交替设置有多个阴影区域和非阴影狭缝区域的镀膜平面镜片。其中，所述的多个狭缝区域相互平行且均匀分布于平面镜片上。其中，所述的狭缝区域宽度为0.1—0.5mm。其中，所述的阴影区域在8—14μm波段截止，所述的狭缝区域在8—14微米波段透过率大于85%。其中，所述的狭缝区域有四条。本专利技术的目的之二在于提供一种高分辨率红外成像光谱仪的成像方法。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高分辨率红外成像光谱仪的成像方法，包括以下步骤：a）、前置扫描反射镜在垂直于狭缝的方向对目标进行扫描，目标场景通过前置物镜组成像在狭缝阵列上，目标的条带像经准直物镜组后照射到光栅棱镜组上，光栅棱镜组将接收到的条带视场的红外辐射在垂直于狭缝的方向上进行色散，并由成像物镜组汇聚在红外探测器焦平面阵列上；b）、红外探测器焦平面阵列将接收到的红外辐射信号转换为电信号，即得到目标的条带像的光谱图像；c）、系统存储下目标场景不同位置的条带的光谱图像，通过后期的图像合成，即可以得到目标场景的三维光谱数据立方。本专利技术的有益效果是：（1）采用狭缝阵列，可以同时采集目标场景中多个条带的光谱图像，有效解决了空间分辨率、光谱分辨率以及成像数据率之间的矛盾；（2）采用前置扫描反射镜扫描和狭缝阵列相结合，实现大视场高数据率的光谱图像采集；（3）本专利技术的红外成像光谱仪结构紧凑，成本较低，可以适用于各种小型化的应用平台，应用范围广泛。附图说明图1是本专利技术的原理示意图；图2是本专利技术的狭缝阵列示意图。各附图标记为：1—前置扫描反射镜，2—前置物镜组，3—狭缝阵列，31—阴影区域，32—狭缝区域，4—准直物镜组，5—光栅棱镜组，6—成像物镜组，7—红外探测器焦平面阵列。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步详细说明。参照图1所示，本专利技术公开了一种高分辨率红外成像光谱仪，包括设置在同一光轴上以一定的角度扫描目标的前置扫描反射镜1、实现目标场景红外辐射能量聚焦的前置物镜组2、狭缝阵列3、准直物镜组4以及光栅棱镜组5，所述狭缝阵列3的狭缝方向与前置扫描反射镜1的扫描方向垂直，以实现多通道光谱的像的同时采集，提高光谱图像的采集速率，狭缝阵列3作为视场光阑使物体条带的像通过，挡掉其它部分的光，所述光栅棱镜组5后方依次设置有成像物镜组6和红外探测器焦平面阵列7，所述前置扫描反射镜1的反射面与光轴呈45°倾角，所述的狭缝阵列3设置在前置物镜组2的焦面上，狭缝阵列3的狭缝方向与红外探测器焦平面阵列7的水平像素方向平行。参照图2所示，所述的狭缝阵列3为一片交替设置有多个阴影区域31和非阴影狭缝区域32的镀膜平面镜片，所述的多个狭缝区域32相互平行且均匀分布于平面镜片上，所述的狭缝区域32宽度x根据具体的应用来设计，通常可以设定为0.1—0.5mm，但不必要限定于0.1—0.5mm，所述的阴影区域31在8—14μm波段截止，所述的狭缝区域32实现了狭缝的功能，他们在8—14微米波段透过率大于85%，作为一种具体的实施例，所述的狭缝区域32有四条。本红外成像光谱仪采用前置物镜组2实现目标场景红外辐射能量聚焦；采用狭缝阵列3实现多通道光谱图像同时采集，大大提高光谱图像的采集速率；采用光栅棱镜组5以及红外探测器焦平面阵列7实现多通道线视场红外辐射的光谱数据立方的采集；采用前置扫描反射镜1进行多通道线视场同时扫描，实现整个红外场景的光谱数据立方的采集。一种高分辨率红外成像光谱仪的成像方法，包括以下步骤：a）、前置扫描反射镜1在垂直于狭缝的方向对目标进行扫描，将前置物镜组形成的目标像一次透过狭缝阵列3，目标场景通过前置物镜组2成像在狭缝阵列3上，目标的条带像经准直物镜组4后照射到光栅棱镜组5上，光栅棱镜组5将接收到的条带视场的红外辐射在垂直于狭缝的方向上进行色散，并由成像物镜组6汇聚在红外探测器焦平面阵列7上。b）、红外探测器焦平面阵列7将接收到的红外辐射信号转换为电信号，即可以得到目标的条带像的光谱图像。c）、系统存储下目标场景不同位置的条带的光谱图像，通过后期的图像合成，即可以得到目标场景的三维光谱数据立方。本专利技术获得红外光谱图像数据的方法如下所述。目标场景的红外辐射经前置物镜组2聚焦在后焦面上。前置扫描反射镜1在垂直于狭缝方向的方向上进行摆扫，假设扫描的角度范围为-θ—θ，每当转过角度δ，红外探测器焦平面阵列7采集一次数据。假设前置扫描反射镜1旋转的角度为α，则此时，位于前置物镜组2焦面上的多条狭缝区域32可以透过红外辐射信号，透过这四处狭缝区域32的红外辐射信号依次经过准直物镜组4、光栅棱镜组5、成像物镜组6，最终被红外探测器焦平面阵列7接收，此时红外探测器焦平面阵列7可以同时接收目标场景四个不同位置的条带窗口的红外光谱数据。前置扫描反射镜1从-θ转动到θ，系统可以接收到目标场景若干个相互之间连续的条带视场的光谱图像，系统根据条带视场的几何位置，对这些光谱图像进行整合，最终可以得到整个目标场景的光谱图像数据立方。本专利技术有效解决了空间分辨率、光谱分辨率以及成像数据率之间的矛盾，实现了大视场高数据率的光谱图像采集，在保证分辨率的前提下，极大提高光谱图像的数据率，并且结构紧凑，成本较低，可以适用于各种小型化的应用平台，应用范围广泛；同时，本专利技术的红外成像光谱仪还采用了内置的光谱和辐射定标系统，可以实现现场级光谱辐射定标校正。上述实施例仅例示性说明本专利技术的原理及其功效，以及部分运用的实施例，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本专利技术创造构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本专利技术的保护范围。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高分辨率红外成像光谱仪，其特征在于：包括设置在同一光轴上的前置扫描反射镜（1）、前置物镜组（2）、狭缝阵列（3）、准直物镜组（4）和光栅棱镜组（5），所述狭缝阵列（3）的狭缝方向与前置扫描反射镜（1）的扫描方向垂直，所述光栅棱镜组（5）后方依次设置有成像物镜组（6）和红外探测器焦平面阵列（7），所述前置扫描反射镜（1）的反射面与光轴呈45°倾角，所述的狭缝阵列（3）设置在前置物镜组（2）的焦面上，狭缝阵列（3）的狭缝方向与红外探测器焦平面阵列（7）的水平像素方向平行。

【技术特征摘要】
1.一种高分辨率红外成像光谱仪，其特征在于：包括设置在同一光轴上的前置扫描反射镜（1）、前置物镜组（2）、狭缝阵列（3）、准直物镜组（4）和光栅棱镜组（5），所述狭缝阵列（3）的狭缝方向与前置扫描反射镜（1）的扫描方向垂直，所述光栅棱镜组（5）后方依次设置有成像物镜组（6）和红外探测器焦平面阵列（7），所述前置扫描反射镜（1）的反射面与光轴呈45°倾角，所述的狭缝阵列（3）设置在前置物镜组（2）的焦面上，狭缝阵列（3）的狭缝方向与红外探测器焦平面阵列（7）的水平像素方向平行。2.根据权利要求1所述的一种高分辨率红外成像光谱仪，其特征在于，所述的狭缝阵列（3）为一片交替设置有多个阴影区域（31）和非阴影狭缝区域（32）的镀膜平面镜片。3.根据权利要求2所述的一种高分辨率红外成像光谱仪，其特征在于，所述的多个狭缝区域（32）相互平行且均匀分布于平面镜片上。4.根据权利要求2所述的一种高分辨率红外成像光谱仪，其特征在于，所述的狭缝区域（32）宽度为0.1—0...

【专利技术属性】
技术研发人员：王晨晟，张智杰，赵坤，郭良贤，余徽，岳松，
申请(专利权)人：湖北久之洋红外系统股份有限公司，
类型：发明
国别省市：湖北;42