一种用于植被微弱荧光被动探测的高分辨率、高数值孔径成像光谱仪

摘要

本发明公开了一种用于植被微弱荧光探测的高分辨率、高数值孔径的成像光谱仪，该成像仪依次设置狭缝、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、平面透射光栅、第八透镜、第九透镜、第十透镜、第十一透镜、第十二透镜、第十三透镜和像面。其中第一至第六透镜组成准直镜组；第八至第十三透镜组成聚焦镜组。孔径光阑位于平面透射光栅上；准直镜组将狭缝出射光投射在平面透射光栅上，平面透射光栅将准直光进行色散，并经聚焦镜组形成连续色散光谱成像投射到像面上。本发明光学系统数值孔径高，光谱分辨率高，组成元件简单易加工制造，易于装配，成像质量优越，全视场全波段均方根点列图半径值小于6.5μm，成像畸变低于0.5％。

说明书

技术领域

本发明属于超高光谱成像技术领域，具体涉及一种用于植被微弱荧光被动探测的高分辨率、高数值孔径成像光谱仪。

背景技术

高分辨率、高数值孔径成像光谱仪在植被日光诱导微弱荧光被动探测的研究领域具有重要的作用。植被受日光照射所发射的微弱荧光虽然微弱，却可以准确的反映植物的光合作用能力，更可以反映植物对环境胁迫的忍耐能力以及胁迫对植物器官产生的伤害程度，这种特性使得荧光完全可以作为植物健康状况和光合作用功能受损的早期“探针”，通过对这种微弱荧光的被动探测，可以在作物受胁迫因子伤害时进行早期预报，定量、快速、无损地监测植物的生理和生长情况，对现代植被生态研究和精准农业应用具有重要意义。使用高光谱成像仪对植被微弱荧光进行被动探测，可以实现这种荧光信息的提取，从而更好的完成相关研究。但是现有的普通性能的高光谱成像仪在植被被动荧光探测上仍然存在以下几个问题：

1、植被微弱荧光的探测机理不同于一般的高光谱探测，需利用太阳的夫琅和费线进行探测，一般的光谱分辨率容易产生虚假识别和混淆，需要仪器光学系统实现0.3nm以上的光谱分辨率；

2、荧光光谱辐射强度极其微弱，仅占植被叶片吸收总能量的1％-3％，因此对仪器的能量传输和信噪比要求高，需要系统的数值孔径达到0.25以上；

3、在超高光谱分辨率和高数值孔径的前提下，良好的光学成像能力实现困难。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种具有高数值孔径和良好光学成像能力数的超高光谱分辨率成像光谱仪光学系统，该系统为远心系统，成像质量优越，并在670nm-780nm的荧光特征观测波段具备0.265的数值孔径和0.2nm的光谱分辨率。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

用于植被微弱荧光探测的高分辨率、高数值孔径的成像光谱仪，该成像仪依次设置狭缝1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7、平面透射光栅8、第八透镜9、第九透镜10、第十透镜11、第十一透镜12、第十二透镜13、第十三透镜14和像面15。其中第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6和第六透镜7组成准直镜组；第八透镜9、第九透镜10、第十透镜11、第十一透镜12、第十二透镜13和第十三透镜14组成聚焦镜组。孔径光阑位于平面透射光栅8上；准直镜组将狭缝1出射光投射在平面透射光栅8上，平面透射光栅8将准直光进行色散，并经聚焦镜组形成连续色散光谱成像投射到像面上。

本发明的有益效果是：本发明光学系统数值孔径高，光谱分辨率高，组成元件简单易加工制造，易于装配，成像质量优越，全视场全波段均方根点列图半径值小于6.5μm，成像畸变低于0.5％。

附图说明

图1为本发明一种用于植被微弱荧光被动探测的高分辨率、高数值孔径成像光谱仪的结构图；

图2为本发明一种用于植被微弱荧光被动探测的高分辨率、高数值孔径成像光谱仪全视场全波段均方根半径点列图；

图3为本发明一种用于植被微弱荧光被动探测的高分辨率、高数值孔径成像光谱仪像面像斑印记图；

图4为本发明一种用于植被微弱荧光被动探测的高分辨率、高数值孔径成像光谱仪场曲和畸变图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

如图1所示，本发明一种用于植被微弱荧光被动探测的高分辨率、高数值孔径成像光谱仪。包括：狭缝1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6、第六透镜7、平面透射光栅8、第八透镜9、第九透镜10、第十透镜11、第十一透镜12、第十二透镜13、第十三透镜14和像面15。其中第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、第四透镜5、第五透镜6和第六透镜7组成准直镜组；第八透镜9、第九透镜10、第十透镜11、第十一透镜12、第十二透镜13和第十三透镜14组成聚焦镜组。孔径光阑位于平面透射光栅8上；准直镜组将狭缝1出射光投射在平面透射光栅8上，平面透射光栅8将准直光进行色散，并经聚焦镜组形成连续色散光谱成像投射到像面上。

为满足植被荧光的被动探测要求，本发明的成像光谱仪工作波段为670nm-780nm，此波段为植被叶绿素光合作用荧光特征光谱集中区域，且与太阳夫琅和费线完善重合，完全满足荧光被动探测的机理。本发明通过对成像像差理论的研究和系统光焦度分配的分析完成对系统中各个组成元件的设计。在系统选型上，反射式系统难以达到所要求的高数值孔径要求，且在实现高光学性能时需采用非球面反射镜，不易加工，成本较高，因此系统构型选择了透射式系统。可用的CCD像元数为1024×2048，像素大小为13微米，透射光栅刻线密度为1200l/mm，为满足0.3nm以上的光谱分辨率要求，同时近似满足1:1的放大倍率，需要成像光谱系统的准直镜组和聚焦镜组焦距在260mm左右；系统数值孔径最终设定为0.265，可与F数1.8的望远镜相匹配，并保证系统的能量收集效率和信噪比。

考虑到成像光谱仪的光学系统成本，材料的理化性能和加工性能，同时为了实现系统的光焦度的分配，需要正透镜用阿贝数高的材料，负透镜用阿贝数低的材料，从工程易用性和材料的易应用性考虑，最终选择了H-ZK9、H-ZF2和H-K9L三种材料。

发明采用的基础系统是双高斯透镜系统，原双高斯透镜系统由前置透镜组和后置透镜组组成，两组透镜组各自分别由三片球面透镜组成，前置透镜组具有负光焦度，后置透镜组具有正光焦度。发明主要通过对双高斯透镜组进行材料更改、曲率半径变化等优化进而重新分配了系统的光焦度，修正了系统的高阶像差量和色差，实现了像质的最优化。图1给出了优化后的最终成像光谱仪光学系统结构。表1给出了最终优化后的各透镜光学参数。

表1高分辨率、高数值孔径成像光谱仪光学元件参数

图2给出了设计系统的全视场全波段均方根半径点列图分布情况。该点列图全面的反映了系统的设计评价结果。可以看到，全视场点列图均方根半径值在全波段下均小于6.5微米，即像斑大小可被CCD像元全包围，因此设计系统在全视场全波段均实现了非常好的成像质量。

图3给出了像面像斑印记图的分布情况，根据此图我们可以分析得到在色散方向上光谱仪的110nm带宽的工作谱段所占像面宽度为22.35mm，共约1719个像元，故每像元光谱采样为0.064nm。光学系统狭缝宽度为39微米，放大倍率1.14，狭缝像在像面所占宽度为44.4微米，所占光谱采样为0.218nm。根据成像光谱仪光谱分辨率计算设计系统的光谱分辨率为0.142nm。系统的光谱分辨率极高。

图4给出了设计系统的场曲和畸变图的分布情况，图中选择了中心波长和两个边缘波长进行分析。虚线代表场曲的子午方向，实线代表场曲的弧矢方向。在场曲显示中，产生最大场曲的波长是边缘波长780nm，离焦量约为0.13mm；而在畸变显示中，系统的最大畸变低于0.3％，这些数值证明系统达到了良好的畸变和场曲设计控制结果。