[发明专利]一种基于自适应光学的光谱成像装置

说明书

技术领域

本发明涉及光学领域，特别涉及天文光谱成像技术领域，提出了一种基于自适应光学的光谱成像装置。

背景技术

光谱成像技术结合了成像技术与光谱技术，在获得物体二维空间特征成像的同时，也获得被测物体的光谱信息，即可同时获取空间和光谱信息，生成三维数据立方。它的特点是每个图像像元都可以提取一条光谱曲线，并且具有空间可识别性。由于同时具有成像和光谱测量的优点，既可完成光谱技术的定性、定量分析，又可以进行形态特征获取和空间定位，是目前天文研究、空间探测、地物遥感、大气遥测等应用领域的研究热点。

一般情况下，二维焦平面探测器一次曝光只能获取二维信息。要获得目标的图像和光谱信息，必须经历某种形式的机械扫描或者电调谐扫描过程。目前大多数光谱成像系统采用的是扫描成像原理，主要有摆扫型、推扫型和凝视型。而不管哪种扫描方式，都是分时完成，无法对快速变化的目标实现实时的光谱和图像信息的获取。此外，在对天文目标进行光谱成像探测时，光谱成像装置会严重受到大气扰动的影响，表现在：1)大气扰动会使望远镜所观测到的目标像不断抖动，无法进行稳定的观测；2)大气扰动不断改变成像光斑的形状，这使得目标的形态分辨不清，也降低了空间定位的精度；3)大气扰动会导致目标能量的弥散，降低观测系统的能量收集效率；4)大气扰动会导致光谱成像装置的光谱展宽和谱线位移等问题，严重影响天文观测测量的准确性。因此，迫切需要一种光谱成像装置，能够克服分时扫描式光谱成像系统的问题，快速获取目标的光谱和成像信息；同时，可克服大气湍流的干扰，适用于天文观测，尤其适合对空间目标的探测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：传统的光谱成像方法普遍通过分时扫描获取完整的成像-光谱三维信息，受大气扰动的影响更加严重，无法适用于快速变化的目标。同时，大气扰动会严重影响对天文目标和空间目标光谱成像观测性能，它会引起观测时图像的抖动和闪烁，以及能量分布的弥散，需加以克服。

本发明采用的技术方案是，一种基于自适应光学的光谱成像装置，该装置包括：准直器1、倾斜镜2、波前校正器DM3、二向色分光镜4、波前探测器5、波前控制器6、成像系统7、望远镜一次像面8、中继光学系统9、望远镜二次像面10、图像切分器11、狭缝12、准直镜13、光栅14、成像镜15、探测器16和数据处理及控制计算机17组成；其中：

望远镜对目标进行成像后，经准直器准直为平行光后入射至高速倾斜镜，用于实时校正大气湍流造成的波前整体倾斜。经高速倾斜镜后光束反射至波前校正器DM，用于实施校正高阶大气湍流像差引起的波前畸变。经波前校正器DM反射后的光束被二向色分光镜分为反射光和透射光，透射的部分进入波前探测器，反射的部分进入成像系统。其中，波前探测器能对不断变化的波前畸变进行实时探测，并对波前畸变中的不同类型像差进行分离，经数据处理和控制计算机处理后，得到控制波前校正器的驱动信号，分别用于控制高速倾斜镜和波前校正器DM。成像系统对经自适应像差校正后的光束进行成像，校正后的光束成像在望远镜焦平面处，即一次像面，同时获得目标经自适应光学校正后的清晰图像。中继光学系统对一次像面处的目标图像进行放大或者缩小，以匹配所需的空间采样，并再次成像，即产生二次像面。图像切分器放置在二次像面，对目标图像进行分割采样，并将采样后的图像由二维转换为一维，呈线型依次排列在光谱测量装置的狭缝上。通过狭缝后光束被准直镜准直为平行光，入射到光栅，经光栅色散分光后的光束由成像镜会聚于探测器的焦面处，再把数据传送至数据处理及控制计算机进行处理，它负责整个系统的协同工作。最后通过数据处理方法重建图像和光谱信息。

其中，上述的图像切分器的输入端位于经自适应像差校正后望远镜的二次像面上，以实现对目标图像的分割、耦合与采样。

其中，上述的图像切分器输入端的图像被采样后传输到输出端，输入端和输出端的采样单元一一对应。图像切分器输入端为二维排列，输出端为一维线性排列，用来将二维像面转换为一维后，进行色散分光。