画幅式色散成像光谱装置及其探测方法技术领域
本发明属于光学成像领域，具体涉及一种画幅式色散成像光谱装置及其探测
方法，利用反射狭缝，获取的目标光谱图像无需拼接，且空间分辨率不受狭缝宽
度的影响。
背景技术
在对目标进行成像探测时，物体的光谱信息可反应出目标的物理、化学性质，
并可有效地消除背景噪声，增强物体的可见性。成像光谱仪集合了照相机和光谱
仪的特点，可以同时获得探测场景的图像信息和各物点的光谱信息。成像光谱仪
具有广阔的应用前景，在工业、农业、军事侦察、大气探测等领域具有重要的应
用价值。主流的成像光谱仪主要包括滤光片型、色散型和干涉型三大类，其中色
散型具有较高的光谱分辨率，且原理简单，是现阶段高光谱成像探测的主要类型。
传统的色散光谱仪采用入射狭缝，单次探测能够获取目标场景一列物点的光
谱信息，通过推扫获取整个场景的光谱信息。各个谱段的重构光谱图像由场景各
列物点图像拼接而成，往往包含条带噪声，且如果推扫过程中出现丢帧或者平台
出现抖动，拼接图像可能会遗失有效信息。此外，传统的色散光谱仪中入射狭缝
的宽度与重构的光谱图像的空间分辨率成反比，且与入射光通量成正比。为保证
充足的光通量，狭缝必须具有一定的宽度，限制了光谱图像空间分辨率的提升。
发明内容
本发明的目的在于提供一种画幅式色散成像光谱装置及其探测方法，系统采
用反射狭缝，单次探测能够获取目标场景三维光谱立方体的一个斜切面，包括场
景的整个图像信息，通过推扫可以获取高空间分辨率和高质量的目标光谱图像。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种画幅式色散成像光谱装置，包括前
置光学系统、半透半反镜、色散元件、第一成像物镜、反射狭缝、第二成像物镜、
面阵探测器和信号处理系统；沿光路方向依次设置前置光学系统、半透半反镜、
色散元件、第一成像物镜、反射狭缝，前置光学系统包括共光轴依次设置的前置
物镜和准直物镜，前置成像物镜的像面和准直物镜的前焦面重合；反射狭缝(5)
位于第一成像物镜的后焦面处，第二成像物镜位于半透半反镜的第二次反射光路
上，面阵探测器的探测靶面位于第二成像物镜的后焦面处，面阵探测器和信号处
理系统通过导线连接；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相对于光学平台或
仪器底座同轴等高。
本发明画幅式色散成像光谱装置，光路走向如下：探测场景物点的出射光束
经过前置物镜确定目标视场，消除杂散光进入准直物镜形成的准直光束后入射到
半透半反镜，其中透射光束第一次通过色散元件，发生色散；色散光束随后第一
次经过第一成像物镜成像在其后焦面的反射狭缝上，色散图像的一列图像的光被
反射狭缝反射，第二次经过第一成像物镜，再次到达色散元件，发生第二次色散，
随后第二次色散的光束第二次入射到半透半透镜，其中反射光束经过第二成像物
镜后成像在其后焦面的面阵探测器上，光信号转化为电信号并传到信号处理系
统。
上述色散元件为透射式色散光栅、反射式色散光栅或色散棱镜。
上述反射狭缝能够反射成像物镜后焦面上面一列图像的光线，让这一列反射
光束返回成像物镜。
上述信号处理系统通过系统整体推扫或者沿垂直于第二成像物镜的光轴方
向平移反射狭缝，获取探测场景完整的三维光谱立方体。
本发明画幅式色散成像光谱装置的成像光谱探测方法，包括以下步骤：
步骤一：来自探测场景各点的入射光进入前置光学系统，通过前置成像物镜
成像在其像面上，消除杂散光，随后经过准直物镜，形成准直光束，以准直光束
形式入射到半透半反镜；
步骤二：通过前置光学系统的准直光束入射到半透半反镜，其中透射光束第
一次经过色散元件，发射第一次色散，随后色散光束经过第一成像物镜成像在其
后焦面处的反射狭缝上面；
步骤三：反射狭缝将第一成像物镜所成的色散图像的一列图像的光束反射，
光束第二次经过成像物镜形成平行光束，然后再次经过色散元件发生第二次色
散，色散后的光束第二次入射到半透半反镜，其中的反射光束入射到第二成像物
镜。
步骤四：入射到第二成像物镜的色散光束成像在其后焦面处的面阵探测器的
靶面上，光信号转化为电信号，进入信号处理系统，单次获取探测场景三维光谱
立方体的一个斜切面，该斜切面包含完整的探测场景的二维图像信息，通过系统
整体推扫或者沿垂直于第二成像物镜的光轴方向平移反射狭缝，可以获取探测场
景完整的三维光谱立方体。
与现有技术相比，该方法单次获取探测场景三维光谱立方体的一个斜切面，
包含完整的探测场景的二维图像信息；而传统的色散成像光谱仪单次获取的目标
场景的一个纵向切面，只能获取探测场景一个维度的图像信息。因此具有两个显
著的优点：
(1)复原的光谱图像无需图像拼接，避免图像信息流失；
(2)复原光谱图像的空间分辨率不受狭缝宽度的限制，可以获取高空间分
辨率的光谱图像。
附图说明
图1为本发明画幅式色散成像光谱装置的结构示意图。
图2目标场景的信息模型，其中(a)为传统色散成像光谱仪单次获取的信
息模型，(b)为本发明单次探测获取目标场景的信息模型。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
实施例1
结合图1，本发明画幅式色散成像光谱装置，包括沿光路方向依次放置的前
置光学系统1、半透半反镜2、色散元件3、第一成像物镜4、反射狭缝5、第二
成像物镜6、面阵探测器7(市购)和信号处理系统8；其中，前置光学系统1
包括共光轴依次设置的前置物镜11和准直物镜12，前置成像物镜11的像面和
准直物镜12的前焦面重合；反射狭缝5位于第一成像物镜4的后焦面处，面阵
探测器7的探测靶面位于第二成像物镜6的后焦面处；所有光学元件相对于基底
同轴等高，即相对于光学平台或仪器底座同轴等高。色散元件3为色散光栅。
本发明画幅式色散成像光谱装置，光路走向如下：探测场景物点的出射光束
经过前置物镜11确定目标视场，消除杂散光进入准直物镜12形成的准直光束后
入射到半透半反镜2，其中透射光束第一次通过色散元件3，发生色散；色散光
束随后第一次经过第一成像物镜4成像在其后焦面的反射狭缝5上，色散图像的
一列图像的光被反射狭缝5反射，第二次经过第一成像物镜4，再次到达色散元
件3，发生第二次色散，随后第二次色散的光束第二次入射到半透半透镜2，其
中反射光束经过第二成像物镜6后成像在其后焦面的面阵探测器7上，光信号转
化为电信号并传到信号处理系统8。
本发明画幅式色散成像光谱装置及方法，包括以下步骤：
步骤一：来自探测场景各点的入射光进入前置光学系统1，通过前置成像物
镜11成像在其像面上，消除杂散光，随后经过准直物镜12，形成准直光束，以
准直光束形式入射到半透半反镜2；
步骤二：通过前置光学系统1的准直光束入射到半透半反镜2，其中透射光
束第一次经过色散元件3，发射第一次色散，随后色散光束经过第一成像物镜4
成像在其后焦面处的反射狭缝5上面；
步骤三：反射狭缝5将第一成像物镜4所成的色散图像的一列图像的光束反
射，光束第二次经过成像物镜4形成平行光束，然后再次经过色散元件3发生第
二次色散，色散后的光束第二次入射到半透半反镜2，其中的反射光束入射到第
二成像物镜6。
步骤四：入射到第二成像物镜6的色散光束成像在其后焦面处的面阵探测器
7的靶面上，光信号转化为电信号，进入信号处理系统8，单次获取探测场景三
维光谱立方体的一个斜切面，该斜切面包含完整的探测场景的二维图像信息，通
过系统整体推扫获取探测场景完整的三维光谱立方体。
实施例2
本发明画幅式色散成像光谱装置，包括沿光路方向依次放置的前置光学系统
1、半透半反镜2、色散元件3、第一成像物镜4、反射狭缝5、第二成像物镜6、
面阵探测器7(市购)和信号处理系统8；其中，前置光学系统1包括共光轴依
次设置的前置物镜11和准直物镜12，前置成像物镜11的像面和准直物镜12的
前焦面重合；反射狭缝5位于第一成像物镜4的后焦面处，面阵探测器7的探测
靶面位于第二成像物镜6的后焦面处；所有光学元件相对于基底同轴等高，即相
对于光学平台或仪器底座同轴等高。色散元件3为色散棱镜。
本发明画幅式色散成像光谱装置，光路走向如下：探测场景物点的出射光束
经过前置物镜11确定目标视场，消除杂散光进入准直物镜12形成的准直光束后
入射到半透半反镜2，其中透射光束第一次通过色散元件3，发生色散；色散光
束随后第一次经过第一成像物镜4成像在其后焦面的反射狭缝5上，色散图像的
一列图像的光被反射狭缝5反射，第二次经过第一成像物镜4，再次到达色散元
件3，发生第二次色散，随后第二次色散的光束第二次入射到半透半透镜2，其
中反射光束经过第二成像物镜6后成像在其后焦面的面阵探测器7上，光信号转
化为电信号并传到信号处理系统8。
本发明画幅式色散成像光谱装置及方法，包括以下步骤：
步骤一：来自探测场景各点的入射光进入前置光学系统1，通过前置成像物
镜11成像在其像面上，消除杂散光，随后经过准直物镜12，形成准直光束，以
准直光束形式入射到半透半反镜2；
步骤二：通过前置光学系统1的准直光束入射到半透半反镜2，其中透射光
束第一次经过色散元件3，发射第一次色散，随后色散光束经过第一成像物镜4
成像在其后焦面处的反射狭缝5上面；
步骤三：反射狭缝5将第一成像物镜4所成的色散图像的一列图像的光束反
射，光束第二次经过成像物镜4形成平行光束，然后再次经过色散元件3发生第
二次色散，色散后的光束第二次入射到半透半反镜2，其中的反射光束入射到第
二成像物镜6。
步骤四：入射到第二成像物镜6的色散光束成像在其后焦面处的面阵探测器
7的靶面上，光信号转化为电信号，进入信号处理系统8，单次获取探测场景三
维光谱立方体的一个斜切面，该斜切面包含完整的探测场景的二维图像信息，通
过沿垂直于第二成像物镜4的光轴方向平移反射狭缝5，获取探测场景完整的三
维光谱立方体。
结合图2，传统的色散成像光谱仪单次获取的目标场景的一个纵向切面，只
能获取探测场景一个维度的图像信息，如图2(a)所示；本发明单次获取探测场
景三维光谱立方体的一个斜切面，包含完整的探测场景的二维图像信息，如图2
(b)所示。本发明获取的目标光谱图像无需拼接，且空间分辨率不受狭缝宽度
的影响。