基于CDP的寬波段光譜成像儀研究

張周鋒，胡炳樑，殷勤業(yè)，高曉惠

1. 中國科學院西安光學精密機械研究所光譜成像技術重點實驗室，陜西 西安 710119

2. 西安交通大學電子信息工程學院，陜西 西安 710049

3. 中國科學院大學，北京 100049

基于CDP的寬波段光譜成像儀研究

張周鋒1，2, 3，胡炳樑1*，殷勤業(yè)2，高曉惠1

1. 中國科學院西安光學精密機械研究所光譜成像技術重點實驗室，陜西 西安 710119

2. 西安交通大學電子信息工程學院，陜西 西安 710049

3. 中國科學院大學，北京 100049

為滿足動態(tài)目標實時光譜成像的應用需求，設計了一種基于CDP(crossed dispersion prism)的靜態(tài)、快照式的光譜成像儀。對其光譜成像原理進行了理論研究，并根據(jù)理論研究結(jié)果對寬波段CDP光譜成像儀光學系統(tǒng)進行設計。該光譜成像儀由CDP分光系統(tǒng)、成像光學系統(tǒng)和面陣探測器組成，視場角為4°，焦距為110 mm，工作波段為0.6～5.0 μm。設計結(jié)果表明，該儀器在0.6～5.0 μm的波段范圍內(nèi)具有較好的光譜成像能力，平均光譜分辨率為20 nm。該技術為實時獲取動態(tài)目標光譜信息及位置信息提供了一種新方法，同時該技術在對未知高能目標探測、定位以及識別方面具有很大的潛力。

實時探測； 光譜成像儀； 寬波段光譜探測

引 言

目標識別與探測在現(xiàn)代軍事戰(zhàn)爭中具有重要的意義，通過對目標光譜信息的探測來實現(xiàn)對目標的識別與探測，是目前光譜儀器應用的一個重要方向。面對高威脅動態(tài)目標如何做到實時探測，也是目前現(xiàn)代光譜探測領域中的一個研究熱點?，F(xiàn)有的光譜探測技術有多種形式[1-6]，如光柵分光狹縫掃描式、棱鏡分光狹縫掃描式、傅里葉變換式等，采用掃描技術獲取二維空間信息和一維光譜信息的。然而，當面對如一些動態(tài)目標時，上述技術由于不具備足夠高的時間分辨率，難以實現(xiàn)對快速變化的動態(tài)目標進行實時光譜成像。Okamoto等提出的層析成像光譜技術[7-9]，一次曝光便能獲得目標數(shù)據(jù)立方體的多個投影方向的投影數(shù)據(jù)，然后對這些投影數(shù)據(jù)進行重構，便可以得到目標的光譜數(shù)據(jù)。該原理的光譜探測技術雖然不需要掃描就可以獲得目標的光譜信息，但后續(xù)數(shù)據(jù)處理算法復雜，并且存在有限投影角問題，只能得到有限個角度的投影數(shù)據(jù)，最終影響到數(shù)據(jù)的反演，甚至帶來一些病態(tài)效應[10]。

本文介紹了一種新型的光譜成像技術，它是一種無源、凝視、快照型的光譜成像技術，并且系統(tǒng)結(jié)構非常簡單，采用CDP(crossed dispersion prism)元件進行分光?；谠摷夹g，設計了一套寬波段光譜成像儀光學系統(tǒng)，實現(xiàn)了從0.6～5.0 μm波段的光譜分光，系統(tǒng)視場角為±2°，焦距110 mm，并結(jié)合面陣探測器可實現(xiàn)對動態(tài)目標光譜信息和位置信息的實時獲取。

1 原理分析

本文介紹的寬波段CDP光譜成像儀原理如圖1所示。

圖1 CDP光譜成像儀原理圖

系統(tǒng)主要由CDP分光系統(tǒng)、成像光學系統(tǒng)和面陣探測器構成。系統(tǒng)中沒有狹縫，不含運動部件。當目標通過CDP分光系統(tǒng)時，前兩組棱鏡在垂直方向進行色散，色散波段為0.6～2.5 μm； 后兩組棱鏡在2.5～5 μm波段進行色散，色散方向為水平方向，最后經(jīng)過成像光學系統(tǒng)在探測器靶面上形成目標的光譜分布。只要目標出現(xiàn)在系統(tǒng)的探測視場范圍中，該系統(tǒng)不需要推掃便能立刻提取出目標的光譜信息，做到實時光譜探測的目的。

設CDP分光系統(tǒng)中棱鏡1頂角為α，棱鏡2頂角為γ1，棱鏡3頂角為β，棱鏡4頂角為γ2，棱鏡1折射率為n1，棱鏡2折射率為n2，棱鏡3折射率為n3，棱鏡4折射率為n4，成像光學系統(tǒng)焦距為f′，出射光束與光軸在子午面的夾角為φ，進行光線追跡得到不同譜段在探測器靶面上的位置坐標yi(λi)

其中

當出射光束與光軸在弧矢面面的夾角為φ，同理可以得到探測器靶面上的位置坐標xi(λi)

其中

當系統(tǒng)中不含CDP分光系統(tǒng)時，目標的成像位置可以通過下式求解

從上面的理論分析可以看出，當已知CDP分光系統(tǒng)中的棱鏡頂角、折射率，成像光學系統(tǒng)焦距以及入射角時，就可以計算出目標在不同譜段下的坐標位置，即目標的光譜分布，該坐標位置(xi,yi)與目標波長λi之間存在一一對應的關系，同時可以得到目標的空間位置P，如圖2所示。從圖2可以看出目標光譜呈現(xiàn)一種倒“V”字形的分布，曲線上的不同位置分別代表著目標的不同譜段信息。

圖2 交叉色散光譜分布圖

2 光學系統(tǒng)設計

圖3 ZnS, CaF2, Sapphire色散曲線

圖4 CDP光譜成像儀設計結(jié)果

基于上述理論研究對時域光譜探測系統(tǒng)進行光學系統(tǒng)的設計，為實現(xiàn)從0.6～5.0 μm的光譜成像，探測器選用寬波段InSb寬波段面陣探測器, 分辨率320×256，像元大小30 μm，幀頻200 Hz。光學系統(tǒng)視場角±2°，焦距110 mm。該光譜探測系統(tǒng)中的核心部分就是CDP分光系統(tǒng)的設計，即分光棱鏡光學材料的恰當選取及優(yōu)化設計，只有四塊棱鏡之間的色散性能做到完全的匹配才能獲得如圖2所示的色散光譜分布，最終選用ZnS, CaF2, Sapphire三種光學材料進行分光系統(tǒng)設計，這三種材料的色散曲線如圖3所示。經(jīng)過優(yōu)化設計，CDP寬波段光譜成像儀光學系統(tǒng)最終設計結(jié)果如圖4所示，從圖4設計結(jié)果可以看出，目標在0.6～5.0 μm波段的光譜呈現(xiàn)一個倒“V”字形的分布，像面上不同坐標位置對應不同的譜段信息，最終平均光譜分辨率為20 nm。

當目標出現(xiàn)在該系統(tǒng)視場中時，探測器靶面上會呈現(xiàn)如圖4(b)中的光譜分布，能實時給出目標的光譜變化，同時可根據(jù)探測器靶面的光譜分布解算出目標的位置信息，達到實時光譜成像的目的。

3 結(jié) 論

介紹了一種基于CDP分光的新型、靜態(tài)、寬波段、快照式光譜探測系統(tǒng)，對其光譜探測原理進行了理論研究，并基于該原理進行了系統(tǒng)光路的設計。實現(xiàn)了從0.6～5.0 μm波段的寬波段光譜成像，平均光譜分辨率達到了20 nm。該原理的光譜成像儀不需要推掃即可做到目標光譜信息及位置信息的實時獲取。該技術為開展動態(tài)目標光譜、位置信息實時獲取提供了一種新的技術途徑，將在空間運動目標探測與識別方面具有重要的應用價值。

[1] HAN Shan, HUANG Yuan-shen, LI Bai-cheng, et al(韓 姍，黃元申，李柏承，等), Acta Photonica Sinica(光子學報), 2014, 43： 4.

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[8] Descour M R, Dereniak E L. SPIE, 1998, 2496: 286.

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[10] LIU Liang-yun, XIANGLI Bin, YANG Jian-feng, et al(劉良云，相里斌，楊建峰，等). Acta Optica Sinica(光學學報)，2000, 20： 6.

*Corresponding author

(Received May 19, 2015; accepted Sep. 23, 2015)

Research on Broadband Spectral Imaging Spectrometer Based on CDP

ZHANG Zhou-feng1, 2, 3, HU Bing-liang1*, YIN Qin-ye2, GAO Xiao-hui1

1. Key Laboratory of Spectral Imaging Technique，Xi’an Institute of Optics and Precision Mechanics，Chinese Academy of Sciences, Xi’an 710119, China

2. School of Electronic and Information Engineering, Xi’an Jiaotong University，Xi’an 710049, China

3. University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049, China

In order to satisfy the application requirements of real-time spectral imaging for moving targets, we design a static, snapshot imaging spectrometer based on a CDP(crossed dispersion prism). The spectral imaging principle is studied, and an optical system of broadband spectral imaging spectrometer is designed according to this principle. Imaging spectrometer consists of a CDP, an imaging lens and a detector, with ±2°field of view, spectral coverage from 0.6 to 5.0 μm, The results show that this instrument has a better ability to detect spectral from 0.6 to 5.0 μm while the average spectral resolution is 20 nm. The technology for dynamic target real-time spectral imaging provides a new technical way. It has a great potential for detecting, locating and identifying unknown energetic events in real-time.

Real-time detection； Imaging spectrometer； Broadband spectral detection

2015-05-19，

2015-09-23

國家自然科學基金項目(11327303, 61405239)，中國科學院空間科學先導專項(XDA04075600)和中國科學院創(chuàng)新交叉團隊課題項目資助

張周鋒，1981年生，中國科學院西安光學精密機械研究所博士研究生 e-mail: jczzf@163.com *通訊聯(lián)系人 e-mail: hbl@opt.ac.cn

TH744

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)07-2284-03