本發(fā)明涉及一種適用于超大幅寬、高空間分辨率、中高光譜分辨率的星載成像光譜儀的分光裝置及其分光方法，屬于光譜成像
技術(shù)領(lǐng)域：
。
背景技術(shù)：
：上世紀(jì)80年代，隨著對(duì)地觀測(cè)應(yīng)用的發(fā)展需要，成像光譜技術(shù)興起。它是綜合了空間成像技術(shù)和光譜成像技術(shù)的新興領(lǐng)域，極大地拓寬了人們?cè)诤教爝b感領(lǐng)域、農(nóng)林資源探測(cè)、礦物資源與地質(zhì)勘探、軍事偵測(cè)、生物醫(yī)療等方面的應(yīng)用范圍。成像光譜儀分光裝置結(jié)構(gòu)可分為色散型、干涉型等。傳統(tǒng)的色散型分光裝置結(jié)構(gòu)形式主要有：平面光柵Czerny-Turner型分光裝置、凸面光柵Offner型分光裝置、凹面光柵Dyson型分光裝置等。這些結(jié)構(gòu)在中短狹縫時(shí)能夠很好的滿足儀器指標(biāo)要求，但是對(duì)于需滿足超大幅寬、高空間分辨率要求的長(zhǎng)狹縫系統(tǒng)而言，存在較大像差且光譜圖像易失真。只能采用視場(chǎng)拼接的方式，將長(zhǎng)狹縫系統(tǒng)分為多個(gè)中短狹縫系統(tǒng)拼接而成，拼接后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。星載成像光譜儀和機(jī)載成像光譜儀一般對(duì)儀器的重量、體積等幾何物理量要求較高，過(guò)大的體積和重量導(dǎo)致儀器的生產(chǎn)、制造、發(fā)射等成本急劇增加，尤其是星載成像光譜儀，對(duì)儀器的重量和體積要求更為嚴(yán)格?，F(xiàn)有文獻(xiàn)所報(bào)道的分光裝置中，多為中短狹縫系統(tǒng)，如文獻(xiàn)“小型Offner光譜成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”（鄭玉權(quán).[J].光學(xué)·精密工程,2005,13(6):650.）、“Offner成像光譜儀的設(shè)計(jì)方法”（佟亞軍,吳剛,周全,等.[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2010(4):1148-1152.）中的傳統(tǒng)凸面光柵Offner裝置，文獻(xiàn)“紅外成像光譜測(cè)量中Dyson光學(xué)系統(tǒng)的研究進(jìn)展”（劉玉娟,唐玉國(guó),巴音,等.[J].光譜學(xué)與光譜分析,2012,32(2):548-552.）中的凹面光柵Dyson裝置、“星載車(chē)爾尼-特納型成像光譜儀像差校正的研究”（薛慶生,王淑榮,魯鳳芹.[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(1):35-40.）及中國(guó)發(fā)明專利“.一種柱面消像散光柵色散性成像光譜儀光路結(jié)構(gòu).”（CN102183304A）中公開(kāi)的平面光柵Czerny-Turner裝置，它們的狹縫長(zhǎng)度都在30mm以內(nèi)，僅憑單臺(tái)分光系統(tǒng)難以滿足超大幅寬和高空間分辨率的應(yīng)用需求。目前，狹縫長(zhǎng)度超過(guò)60mm的分光裝置未見(jiàn)報(bào)道。因此亟需設(shè)計(jì)一種緊湊的非拼接的超長(zhǎng)狹縫分光裝置以滿足遙感應(yīng)用中對(duì)超大幅寬、高空間分辨率的需求。上世紀(jì)80年代末，Wynne提出在一比一成像的Offner中繼系統(tǒng)中置入彎月形透鏡，可補(bǔ)償大視場(chǎng)成像時(shí)的球差和像散，實(shí)現(xiàn)較好的成像質(zhì)量。在開(kāi)啟對(duì)Offner型成像光譜儀的研究之后，不少學(xué)者又進(jìn)一步發(fā)展和完善了Offner-Wynne型分光裝置的理論，在成像光譜儀器的應(yīng)用中能夠獲得比傳統(tǒng)Offner裝置更緊湊的結(jié)構(gòu)和更優(yōu)的成像質(zhì)量，如文獻(xiàn)“CompactOffner–Wynneimagingspectrometers”（Prieto-BlancoX,delaFuenteR.[J].OpticsCommunications,2014,328:143-150.）中所闡述。同樣，現(xiàn)有技術(shù)均未涉及用于解決長(zhǎng)狹縫分光系統(tǒng)的問(wèn)題。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種具有狹縫超長(zhǎng)、成像質(zhì)量良好、光譜分辨率較高、結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工裝調(diào)特點(diǎn)，并能滿足超大幅寬、高空間分辨率星載成像光譜儀需求的分光系統(tǒng)及其分光方法。為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的技術(shù)方案是提供一種星載成像光譜儀的分光方法，從長(zhǎng)度為60mm～120mm的狹縫入射的遠(yuǎn)心光線，經(jīng)彎月形透鏡折射和凹球面反射鏡反射后，以會(huì)聚光束的形式入射到凸球面光柵上；所述的會(huì)聚光束經(jīng)凸球面光柵衍射后實(shí)現(xiàn)光譜分光；分光后得到的發(fā)散光束依次通過(guò)凹球面反射鏡反射和彎月形透鏡折射，成像于像平面，實(shí)現(xiàn)光譜成像。本發(fā)明技術(shù)方案還包括一種星載成像光譜儀的分光系統(tǒng)，它的分光裝置采用凸面光柵Offner-Wynne型結(jié)構(gòu)，包括狹縫、彎月形透鏡、凹球面反射鏡）、凸球面光柵和像平面；所述的分光裝置在空間上關(guān)于凸球面光柵的主截面對(duì)稱；從狹縫入射的遠(yuǎn)心光線經(jīng)彎月形透鏡折射、球面反射鏡反射后，光束會(huì)聚入射到凸球面光柵上，發(fā)散光束再依次經(jīng)凹球面反射鏡反射和彎月形透鏡折射，成像于像平面，實(shí)現(xiàn)光譜成像；所述狹縫長(zhǎng)度的取值范圍為60mm～120mm。在本發(fā)明技術(shù)方案中，凸球面光柵與彎月形透鏡的后表面重合，且曲率相等。所述凸球面光柵為直線型或曲線型等間距槽光柵。所述分光裝置的色散寬度與狹縫的長(zhǎng)度之比為1/50～1/2.5。所述分光裝置F數(shù)的取值范圍為3～8。所述凹球面反射鏡與凸球面光柵的曲率半徑之比為1.9:1～2.2：1。所述彎月形透鏡的前表面與后表面的曲率半徑之比為1:1.3～1：1。所述凹球面反射鏡和凸球面光柵的表面，鍍有高反射率金屬-介質(zhì)膜。所述彎月形透鏡的前表面和后表面，鍍有高透射率消偏振介質(zhì)膜。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于：1、本發(fā)明提供的的分光方法，采用狹縫超長(zhǎng)，能夠滿足超大幅寬、高空間分辨率下的對(duì)地光譜成像，且光譜圖像像差小，保真度高。2、光譜分辨率相對(duì)較高，光學(xué)元件少，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。3、分光裝置中彎月形透鏡、凹球面反射鏡和凸球面光柵均同軸，易于加工裝調(diào)。附圖說(shuō)明圖1是本發(fā)明提供的超長(zhǎng)狹縫凸面光柵Offner-Wynne型分光裝置的光路主視圖；圖2是本發(fā)明提供的超長(zhǎng)狹縫凸面光柵Offner-Wynne型分光裝置的光路俯視圖；圖3是本發(fā)明提供的超長(zhǎng)狹縫凸面光柵Offner-Wynne型分光裝置的光學(xué)系統(tǒng)元件左視圖；圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的一種超長(zhǎng)狹縫凸面光柵Offner-Wynne型分光裝置的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線；圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的超長(zhǎng)狹縫凸面光柵Offner-Wynne型分光裝置的光線追跡點(diǎn)列圖。圖中，1、入射狹縫；2、彎月形透鏡；2-1、彎月形透鏡的前表面；2-2、彎月形透鏡的后表面；3、凹球面反射鏡；4、凸球面光柵；5、像平面；6、凸球面光柵的主截面。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。實(shí)施例1本實(shí)施例提供一種星載成像光譜儀的分光系統(tǒng)及其分光方法。分光系統(tǒng)采用超長(zhǎng)狹縫凸面光柵Offner型結(jié)構(gòu)的分光裝置。參見(jiàn)附圖1，它是本實(shí)施例提供的一種超長(zhǎng)狹縫凸面光柵Offner型分光裝置的光路主視圖；它包括：超長(zhǎng)入射狹縫1、彎月形透鏡2、凹球面反射鏡3、凸球面光柵4和像平面5；2-1為所述彎月形透鏡2的前表面，2-2為所述彎月形透鏡2的后表面；凹球面反射鏡3和凸球面光柵4表面均鍍高反射率金屬-介質(zhì)膜，彎月形透鏡2的前、后表面均鍍高透射率消偏振介質(zhì)膜。入射狹縫1的長(zhǎng)度方向和凸球面光柵4的刻線方向均垂直于紙面；凸球面光柵4與彎月形透鏡后表面2-2重合且曲率相等。成像光束由入射狹縫1進(jìn)入系統(tǒng)，分別經(jīng)彎月形透鏡2折射和球面反射鏡3反射后，以會(huì)聚光束的形式入射到所述凸球面光柵4上；經(jīng)過(guò)凸球面光柵4衍射后實(shí)現(xiàn)光譜分光，同時(shí)將會(huì)聚光束變?yōu)榘l(fā)散光束；最后由所述凹球面反射鏡3和彎月形透鏡2將分光后的光束成像至像平面5上，形成色散譜線，實(shí)現(xiàn)光譜成像。凸球面光柵4為直線型或曲線型等間距槽光柵，入射光柵的中心視場(chǎng)主光線和光柵衍射后的中心視場(chǎng)主光線均在光柵主截面即紙面內(nèi)。彎月形透鏡2、凹球面反射鏡3與凸球面光柵4共軸；入射狹縫1和像平面5偏離軸線，其離軸量保證凸球面光柵4不對(duì)色散前入射到凹球面反射鏡3的發(fā)散光束和色散后入射到彎月形透鏡2的匯聚光束造成擋光。參見(jiàn)附圖2和圖3，是它們分別是本發(fā)明提供的超長(zhǎng)狹縫凸面光柵Offner-Wynne型分光裝置的光路俯視圖和光學(xué)系統(tǒng)元件左視圖。由圖可以看出，包括超長(zhǎng)狹縫1和像平面5在內(nèi)的整個(gè)分光裝置關(guān)于凸球面光柵4的主截面6對(duì)稱；該分光裝置空間維成像放大率為1:1，像平面5空間維長(zhǎng)度與入射狹縫1長(zhǎng)度相等；在圖2所示的光路俯視圖內(nèi)，不同波長(zhǎng)的像方成像光束重合，并與入射光束重合；在圖3所示的光學(xué)元件左視圖內(nèi)，不同波長(zhǎng)的像方成像光束在像面5上成相互平行的光譜線。在本實(shí)施例中，圖1所提供的超長(zhǎng)狹縫的凸面光柵Offner-Wynne型分光裝置相關(guān)指標(biāo)為：光譜范圍：0.5μm～1μm；系統(tǒng)F數(shù)：6.75；狹縫長(zhǎng)度：100mm；光譜分辨率：1.5nm；像平面色散寬度：5mm；探測(cè)器像元大?。?5μm×15μm。本實(shí)施例提供的超長(zhǎng)狹縫的凸面光柵Offner-Wynne型分光裝置，各光學(xué)元件的具體光學(xué)參數(shù)參見(jiàn)表1。表中“面型”表示各光學(xué)面名稱；“曲率半徑”表示各光學(xué)面半徑大?。弧熬嚯x”表示該光學(xué)面頂點(diǎn)到下一個(gè)光學(xué)面頂點(diǎn)的橫向距離；“離軸量”表示該光學(xué)面光軸與系統(tǒng)中心軸線之間的距離，定義彎月形透鏡、凹球面反射鏡和凸球面光柵的公共光軸為系統(tǒng)中心軸線；其中凸球面光柵刻線密度為109lp/mm。表1面型曲率半徑/mm距離/mm離軸量/mm狹縫∞77.89-27.96彎月形透鏡前表面-76.8015.390彎月形透鏡后表面-92.33103.530凹球面反射鏡-195.91-103.530凸球面光柵-92.33103.530凹球面反射鏡-195.91-103.530彎月形透鏡后表面-92.33-15.390彎月形透鏡前表面-76.80-76.230像平面∞020.46利用本實(shí)施例提供的分光裝置，其分光方法為：從長(zhǎng)度為60mm～120mm的狹縫入射的遠(yuǎn)心光線，經(jīng)彎月形透鏡折射和凹球面反射鏡反射后，以會(huì)聚光束的形式入射到凸球面光柵上；所述的會(huì)聚光束經(jīng)凸球面光柵衍射后實(shí)現(xiàn)光譜分光；分光后得到的發(fā)散光束依次通過(guò)凹球面反射鏡反射和彎月形透鏡折射，成像于像平面，實(shí)現(xiàn)光譜成像。參見(jiàn)附圖4，它是采用本實(shí)施例提供的光學(xué)系統(tǒng)在中心波長(zhǎng)處的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線，該分光裝置在探測(cè)器奈奎斯特頻率33.3Lp/mm處的調(diào)制傳遞函數(shù)大于0.75，十分接近衍射極限，成像質(zhì)量?jī)?yōu)良。參見(jiàn)附圖5，它是本實(shí)施例提供的光學(xué)系統(tǒng)的光線追跡點(diǎn)列圖。圖中的方框表示探測(cè)器像元大小為15μm×15μm，黑色圓圈表示艾里斑大小。各行表示半狹縫長(zhǎng)度不同位置處的點(diǎn)列圖，各列表示所設(shè)計(jì)波段中0.5μm，0.75μm和1μm處的點(diǎn)列圖。從圖中可見(jiàn)，該分光裝置各波長(zhǎng)不同視場(chǎng)處的點(diǎn)列圖都能集中在艾里斑內(nèi)，接近衍射極限。當(dāng)前第1頁(yè)1 2 3