本專利涉及一種緊湊型高分辨率寬視場光譜成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)，特別涉及一種用于星載、機(jī)載大氣二氧化碳探測的光譜成像儀的高分辨率、寬視場光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

背景技術(shù)：

光譜成像儀結(jié)合了光學(xué)成像和光譜分光這兩種歷史悠久的技術(shù)，使之能同時(shí)得到物體的空間圖像和豐富的光譜信息，具有圖譜合一的優(yōu)點(diǎn)。上個(gè)世紀(jì)80年代以來，是20世紀(jì)80年代開始在多光譜遙感成像技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的新一代空間光學(xué)遙感儀器，一直受到各國科研機(jī)構(gòu)極大的重視，在航空、航天器上進(jìn)行陸地、大氣、海洋等觀測中有了廣泛的應(yīng)用。

光柵分光型光譜成像儀在獲取目標(biāo)空間信息的同時(shí)，提供光譜維信息。通過物質(zhì)特有的光譜特征揭示物質(zhì)的存在狀況及成分，達(dá)到從空間識別地球表面物質(zhì)的遙感目標(biāo)。其工作原理是：地面反射的輻射經(jīng)前置光學(xué)鏡頭會(huì)聚，成像在狹縫面上，入射狹縫使一個(gè)穿軌方向地面條帶的像通過，而遮擋掉其余部分。通過狹縫(視場光闌)的輻射能量經(jīng)過分光系統(tǒng)，在垂直狹縫長度方向按光譜色散并成像在面陣探測器的光敏面上。光敏面的水平方向平行于狹縫，即為空間維，每一行水平光敏面元上是地面條帶一個(gè)光譜通道的像；光敏面的垂直方向是色散方向，即為光譜維，每一列光敏面元上是地物條帶一個(gè)空間采樣視場(像元)光譜色散的像。

高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)主要涉及的是分光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，目前主要的光譜分光方法有棱鏡分光、光柵分光、傅里葉變換、聲光可調(diào)諧濾光片、液晶可調(diào)諧濾光片、漸變?yōu)V光片等。棱鏡和光柵分光技術(shù)出現(xiàn)較早、技術(shù)比較成熟，絕大多數(shù)航空和航天成像光譜儀均采用了此類分光技術(shù).采用棱鏡分光的缺點(diǎn)在于線色散率和波長有關(guān)，將導(dǎo)致面陣探測器每行光譜采樣的間隔不一樣，不利于通道帶寬編程選擇；采用光柵分光方式，在入射角度很大的情況下，其光譜的線色散率與波長無關(guān)，能滿足分光系統(tǒng)線色散率為定值的要求，并且具有比棱鏡更高的光譜分辨率。然而，普通閃耀光柵在實(shí)際應(yīng)用中，為了避免級次重疊，只能用于低級次(第1級或第2級)，因此要獲得高分辨率光譜只能采用大面積細(xì)刻線光柵，儀器的尺寸非常龐大。

目前國際上具有代表性的探測二氧化碳的光柵光譜成像儀有2002年歐空局發(fā)射的大氣痕量氣體掃描成像光譜儀SCIAMACHY，視場1.8°，刈幅寬度30km，光譜分辨率0.2nm～1.48nm；2015年美國NASA發(fā)射的OCO-2，視場0.84°，刈幅寬度10.3km，光譜分辨率達(dá)到0.1nm。這些光譜成像儀載荷在二氧化碳探測與數(shù)據(jù)采集中發(fā)揮了重要作用，但是，它們的缺點(diǎn)是難以同時(shí)做到寬視場(寬刈幅寬度)與高光譜分辨率，并且儀器體積較大，其中OCO-2體積為1.6m×0.4m×0.6m。隨著CO₂遙感探測技術(shù)的不斷發(fā)展，對成像光譜儀的要求也越來越高，要求在寬視場的條件下獲得高光譜分辨率，同時(shí)對于體積與重量也提出了更高的要求。視場越大則刈幅寬度越大，衛(wèi)星的回訪周期就越小，可以有效提高時(shí)間分辨率；光譜分辨率越高，則可以提供更多更豐富的數(shù)據(jù)資料，并提高數(shù)據(jù)反演精度；體積減小，重量變輕則可以降低發(fā)射成本，實(shí)現(xiàn)衛(wèi)星載荷的小型化和輕量化。

因此，寬視場、高分辨率、緊湊型的光譜成像儀成為全球大氣二氧化碳探測的迫切需求，而現(xiàn)有的技術(shù)難以滿足應(yīng)用要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

綜上所述，現(xiàn)有技術(shù)由于光學(xué)系統(tǒng)的視場限制、成像質(zhì)量的影響以及色散元件制造的難度，導(dǎo)致當(dāng)前各成像光譜儀難以同時(shí)滿足大視場與高光譜分辨率。此外，傳統(tǒng)的光柵光譜儀器由于使用低級次(第1級或第2級)衍射，系統(tǒng)通常采用龐大的V型結(jié)構(gòu)，存在裝調(diào)困難、穩(wěn)定性差等缺陷。本專利的目的在于提供一種高分辨率、大視場、結(jié)構(gòu)緊湊的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)，以便解決上述相關(guān)問題。

本專利通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)：

系統(tǒng)包括前置物鏡1、入射狹縫2、準(zhǔn)直及聚焦鏡組3、浸沒式平面光柵4、面陣探測器5，其中入射狹縫2、準(zhǔn)直及聚焦鏡組3、浸沒式平面光柵4、面陣探測器5組成分光系統(tǒng)8。

所述的前置物鏡1為四片式鏡片結(jié)構(gòu)；

所述的浸沒式平面光柵4切面呈等腰直角三角形；

所述的準(zhǔn)直及聚焦鏡組3為一組四片式鏡片結(jié)構(gòu)；

系統(tǒng)的像平面與系統(tǒng)主光軸6的垂直面呈2.5度的傾斜，系統(tǒng)的光闌放在光柵上，來自條帶型地表目標(biāo)的輻射經(jīng)前置物鏡1進(jìn)入系統(tǒng)，并成像于物鏡焦平面的入射狹縫2處，通過狹縫2的光譜輻射能量，經(jīng)準(zhǔn)直鏡組3準(zhǔn)直，平行入射至浸沒式平面光柵4，由浸沒式平面光柵4分光，把不同波長的光分開，再經(jīng)準(zhǔn)直及聚焦鏡組3聚焦在像平面上的面陣探測器5上，實(shí)現(xiàn)精細(xì)光譜成像。

所述的前置物鏡1的視場角為20°，F(xiàn)數(shù)為2，光學(xué)長度小于60mm；工作波長在1550-1650nm范圍內(nèi)。

所述的入射狹縫2的長度為5mm。

所述的浸沒式平面光柵4的體積尺寸小于240×240×240mm³，光柵常數(shù)為1200-1300。

所述的分光系統(tǒng)8的體積尺寸小于240×240×540mm³，放大率為1:1。

所述的面陣探測器5的像元尺寸為20μm，像元數(shù)為1200××256。

系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)如下：

1、前置物鏡的設(shè)計(jì)

前置物鏡的設(shè)計(jì)遵循儀器輕小緊湊、與分光系統(tǒng)光瞳相匹配的原則，設(shè)計(jì)為四片式透鏡組，四片透鏡均為硅材料。設(shè)計(jì)過程中，優(yōu)化函數(shù)只設(shè)置了系統(tǒng)參數(shù)與像質(zhì)約束。系統(tǒng)選用了較大的入射視場，考慮到光學(xué)系統(tǒng)像面畸變隨著視場的增大而增大，可以通過簡單的圖像處理技術(shù)來消除。

設(shè)計(jì)中，可以將F數(shù)定的比分光系統(tǒng)的F數(shù)稍大，避免系統(tǒng)集成后因漸暈而損失的能量。

2、分光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)分光元件選用浸沒式平面光柵，浸沒式光柵與傳統(tǒng)光柵的區(qū)別在于，在折射率為n的介質(zhì)中，入射光的波長被縮減了n倍，根據(jù)瑞麗判據(jù)，光柵的光譜分辨率為λ/mN，因此光柵的光譜分辨能力提升了n倍。對于本系統(tǒng)的高光譜分辨率需求，選用浸沒式光柵可以減小系統(tǒng)體積，實(shí)現(xiàn)輕量化。

分光系統(tǒng)采用利特羅(Littrow)結(jié)構(gòu)，Littrow系統(tǒng)又被稱為是自準(zhǔn)直系統(tǒng)，由入射狹縫，準(zhǔn)直透鏡組，平面衍射光柵以及像平面(探測器焦平面)組成。入射狹縫垂直于直面，平行于光柵刻線槽?？讖焦怅@置于光柵上，該系統(tǒng)以孔闌為界分為前后兩部分，且兩部分相互對稱于孔徑光闌，可以實(shí)現(xiàn)1:1成像。經(jīng)由望遠(yuǎn)鏡收集到的光束通過入射狹縫進(jìn)入分光系統(tǒng)，經(jīng)準(zhǔn)直透鏡組后入射到平面衍射光柵表面，在光柵表面按波長色散后，在Littrow結(jié)構(gòu)下沿入射路徑返回，此時(shí)的準(zhǔn)直透鏡組相當(dāng)于聚焦透鏡組，可以將光束聚焦在探測器焦平面上。由此，探測器可以獲取不同波長的光譜信息，呈現(xiàn)的是與狹縫形狀相似的精細(xì)條紋。整個(gè)分光系統(tǒng)的相對孔徑主要由準(zhǔn)直部分(聚焦部分)的光學(xué)結(jié)構(gòu)所確定。此外，在設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中，引入了一塊非球面彎月透鏡，可增加系統(tǒng)相對孔徑。

分光器件幾何參數(shù)還需要考慮衍射特性的設(shè)計(jì)，取決于光譜成像系統(tǒng)指標(biāo)。本專利中，浸沒式平面衍射光柵的衍射級次為+1級，光柵尺寸與刻線密度根據(jù)波段、光譜采樣率以及聚焦系統(tǒng)的焦距決定。

3、系統(tǒng)集成

光譜成像系統(tǒng)的前置物鏡和分光系統(tǒng)分別根據(jù)不同的優(yōu)化函數(shù)獨(dú)立設(shè)計(jì)，然后進(jìn)行系統(tǒng)集成。前置物鏡只需要保證成像質(zhì)量，分光系統(tǒng)還需要考慮色畸變與譜線彎曲。集成后的系統(tǒng)，光闌位于浸沒式光柵的入射面上。

如上所述，根據(jù)本專利的一種高分辨率寬視場光譜成像系統(tǒng)，其包括前置物鏡1、入射狹縫2、準(zhǔn)直及聚焦鏡組3、浸沒式平面光柵4、面陣探測器5。來自條帶型地表目標(biāo)的輻射經(jīng)前置物鏡進(jìn)入系統(tǒng)，并成像于物鏡焦平面的入射狹縫處，通過狹縫后的光譜輻射能量，經(jīng)由準(zhǔn)直鏡組準(zhǔn)直，平行入射至浸沒式光柵，由浸沒式光柵分光，把不同波長的光分開，再經(jīng)準(zhǔn)直及聚焦鏡組3聚焦在面陣探測器5上，實(shí)現(xiàn)精細(xì)光譜成像。

所述的緊湊性高分辨率寬視場光譜成像系統(tǒng)的系統(tǒng)F數(shù)為2，視場角為20°，光譜分辨率為0.08nm；它的工作波長在1550～1650nm，體積小于240×240×600mm³。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利的優(yōu)點(diǎn)在于：光譜成像系統(tǒng)的F數(shù)大，有效提高系統(tǒng)集光能力，可以做到高信噪比；透射式前置系統(tǒng)擁有多個(gè)變量，可以滿足大視場條件下的高成像質(zhì)量，符合大視場、高光譜分辨率的要求；光闌放在光柵器件上，滿足物、像方遠(yuǎn)心光路，在面陣探測器表面可以達(dá)到均勻的能量分布；系統(tǒng)采用浸沒式光柵作為分光元件，因此在相同的光譜分辨能力下，可以有效縮減體積；準(zhǔn)直透鏡組與成像透鏡組二者為一體，使得系統(tǒng)更加緊湊、輕量化。

附圖說明

圖1是本專利實(shí)施例所提供的光譜成像系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是本專利實(shí)施例所提供的光譜成像系統(tǒng)的光路示意圖；

圖3是本專利實(shí)施例所提供的光譜成像系統(tǒng)中浸沒式光柵元件的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中：

1、前置系統(tǒng)；

2、入射狹縫；

3、準(zhǔn)直及聚焦鏡組；

4、浸沒式平面光柵；

5、面陣探測器；

6、系統(tǒng)主光軸；

7、色散分光后出射的三種不同波長的光線；

8、分光系統(tǒng)；

9、浸沒式光柵基底材料；

10、光柵刻劃面；

11、浸沒式光柵表面

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合圖給出本專利一個(gè)較好的實(shí)施例，主要用作進(jìn)一步詳細(xì)說明本專利的特點(diǎn)，而非用來限定本專利的范圍：

圖1是本專利具體實(shí)施例的緊湊型高分辨率寬視場光譜成像儀的結(jié)構(gòu)示意圖。參見附圖1，前置物鏡1為四片式結(jié)構(gòu)；分光系統(tǒng)8由入射狹縫2、準(zhǔn)直及聚焦鏡組3、浸沒式平面光柵4、面陣探測器5構(gòu)成。其中，面陣探測器5接收表面與主光軸6的垂面呈2.5度的傾斜。

圖2是上述光譜成像系統(tǒng)的光路示意圖。參見附圖2，來自地球條帶型目標(biāo)的輻射信號經(jīng)過前置系統(tǒng)1后成像于視場光闌狹縫2上，透過狹縫2的輻射能量經(jīng)過準(zhǔn)直及聚焦鏡組3后，垂直于浸沒式光柵的表面入射，主光線的準(zhǔn)直光線在光軸6上，入射至光柵刻劃面10，把不同波長的光分開，它們經(jīng)聚焦鏡組3聚焦在面陣探測器5上，即不同波長的光線在光柵刻劃面10出射后，沿著不同的角度進(jìn)入準(zhǔn)直及聚焦鏡組3，最終匯聚在面陣探測器5的不同位置，實(shí)現(xiàn)譜線分離。面陣探測器5上顯示的是呈精細(xì)條紋狀的像。由于準(zhǔn)直與聚焦鏡采用同一組鏡片，系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了放大率為1:1的成像。

圖3是本專利實(shí)施例所提供的光譜成像系統(tǒng)中浸沒式光柵的具體結(jié)構(gòu)示意圖。參見附圖3，本專利中浸沒式光柵基底材料9選用硅材料，光柵刻劃面10的光柵常數(shù)為每毫米1250線對。其中，光柵刻劃面10與浸沒式光柵表面11以及光軸6的夾角都為45°。

圖3中，中心波長光線以入射角45°入射到光柵刻劃面10上，衍射角為θ₁，然后以θ₂的入射角至浸沒式光柵表面11，出射光線的出射角為θ₃，然后進(jìn)入聚焦鏡組3，聚焦于面陣探測器5上。

系統(tǒng)工作在波長1591～1621nm范圍內(nèi)，光譜范圍30nm，全視場為20度，F(xiàn)數(shù)為2，狹縫尺寸為5mm×20μm，光譜分辨率達(dá)到0.08nm，像元尺寸為20μm，穿軌方向瞬時(shí)視場為0.163mrad，放大率為1:1。全系統(tǒng)鏡片材料均為硅，包括浸沒式光柵基底材料，折射率為3.4。在前置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，F(xiàn)數(shù)設(shè)計(jì)的要比后端分光系統(tǒng)的F數(shù)稍大。成像光譜儀的F數(shù)為2，前置系統(tǒng)的F數(shù)設(shè)計(jì)為1.8左右，避免對接光譜儀后產(chǎn)生漸暈而損失能量；全視場內(nèi)物鏡的彌散斑RMS半徑在5μm以內(nèi)，遠(yuǎn)小于探測器像元尺寸30μm。系統(tǒng)體積為240×240×600mm³。系統(tǒng)保證了寬視場、高光譜分辨率，同時(shí)實(shí)現(xiàn)緊湊化與輕量化設(shè)計(jì)。