一種緊湊型高分辨率寬視場光譜成像系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種緊湊型高分辨率寬視場光譜成像系統(tǒng)，它主要由前置系統(tǒng)和一個利特羅式分光系統(tǒng)構成，其中分光系統(tǒng)包含狹縫、準直/聚焦鏡組、浸沒式平面衍射光柵以及面陣探測器，視場光闌狹縫置于前置系統(tǒng)的焦面上，系統(tǒng)具有大視場、結構緊湊、高光譜分辨率的特點。本發(fā)明所有鏡片與浸沒式光柵基底材料均為硅材料，易于獲得；可搭載于衛(wèi)星或者航空飛行器上對大氣二氧化碳的濃度分布情況進行探測；通過準直鏡與聚焦鏡采用同一組透鏡的方法，可以使系統(tǒng)緊湊，實現(xiàn)輕量化，靈活及便于裝載。通過本發(fā)明可以有效解決當前光柵分光型成像光譜儀體積大，難以同時滿足大視場與高光譜分辨率的問題，設計出寬幅高分辨率的光譜成像系統(tǒng)，可搭載于微小型衛(wèi)星上。
【專利說明】
一種緊湊型高分辨率寬視場光譜成像系統(tǒng)
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種緊湊型高分辨率寬視場光譜成像系統(tǒng)設計，特別涉及一種用于星載、機載大氣二氧化碳探測的光譜成像儀的高分辨率、寬視場光學系統(tǒng)設計。
【背景技術】
[0002]光譜成像儀結合了光學成像和光譜分光這兩種歷史悠久的技術，使之能同時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。上個世紀80年代以來，是20世紀80年代開始在多光譜遙感成像技術的基礎上發(fā)展起來的新一代空間光學遙感儀器，一直受到各國科研機構極大的重視，在航空、航天器上進行陸地、大氣、海洋等觀測中有了廣泛的應用。
[0003]光柵分光型光譜成像儀在獲取目標空間信息的同時，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，達到從空間識別地球表面物質(zhì)的遙感目標。其工作原理是:地面反射的輻射經(jīng)前置光學鏡頭會聚，成像在狹縫面上，入射狹縫使一個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空間采樣視場(像元)光譜色散的像。
[0004]高光譜成像儀光學系統(tǒng)主要涉及的是分光系統(tǒng)的設計，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出現(xiàn)較早、技術比較成熟，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.采用棱鏡分光的缺點在于線色散率和波長有關，將導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，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，普通閃耀光柵在實際應用中，為了避免級次重疊，只能用于低級次(第I級或第2級)，因此要獲得高分辨率光譜只能采用大面積細刻線光柵，儀器的尺寸非常龐大。
[0005]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SCIAMACHYJlgl.8°，刈幅寬度30km，光譜分辨率0.2nm?1.48謹;2015年美國嫩34發(fā)射的00)-2，視場0.84°，刈幅寬度10.3km，光譜分辨率達到
0.lnm。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，它們的缺點是難以同時做到寬視場(寬刈幅寬度)與高光譜分辨率，并且儀器體積較大，其中0C0-2體積為1.6m X 0.4m X 0.6m。隨著CO2遙感探測技術的不斷發(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，實現(xiàn)衛(wèi)星載荷的小型化和輕量化。
[0006]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)有的技術難以滿足應用要求。
【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]綜上所述，現(xiàn)有技術由于光學系統(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，導致當前各成像光譜儀難以同時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I級或第2級)衍射，系統(tǒng)通常采用龐大的V型結構，存在裝調(diào)困難、穩(wěn)定性差等缺陷。本發(fā)明的目的在于提供一種高分辨率、大視場、結構緊湊的光學系統(tǒng)設計，以便解決上述相關問題。
[0008]本發(fā)明通過以下技術方案實現(xiàn):
[0009]系統(tǒng)包括前置物鏡1、入射狹縫2、準直及聚焦鏡組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。
[0010]所述的前置物鏡I為四片式鏡片結構；
[0011 ]所述的浸沒式平面光柵4切面呈等腰直角三角形；
[0012]所述的準直及聚焦鏡組3為一組四片式鏡片結構；
[0013]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的輻射經(jīng)前置物鏡I進入系統(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)準直鏡組3準直，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)準直及聚焦鏡組3聚焦在像平面上的面陣探測器5上，實現(xiàn)精細光譜成像。
[0014]所述的前置物鏡I的視場角為20°，F(xiàn)數(shù)為2，光學長度小于60mm;工作波長在1550-1650nm范圍內(nèi)。
[0015]所述的入射狹縫2的長度為5mm。
[0016]所述的浸沒式平面光柵4的體積尺寸小于240 X 240 X 240mm3，光柵常數(shù)為1200-1300ο
[0017]所述的分光系統(tǒng)8的體積尺寸小于240 X 240 X 540mm3，放大率為1:1。
[0018]所述的面陣探測器5的像元尺寸為20μπι，像元數(shù)為1200X Χ256。
[0019]系統(tǒng)具體設計如下:
[0020]1、前置物鏡的設計
[0021]前置物鏡的設計遵循儀器輕小緊湊、與分光系統(tǒng)光瞳相匹配的原則，設計為四片式透鏡組，四片透鏡均為硅材料。設計過程中，優(yōu)化函數(shù)只設置了系統(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來消除。
[0022]設計中，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。
[0023]2、分光系統(tǒng)設計
[0024]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η的介質(zhì)中，入射光的波長被縮減了η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 η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，實現(xiàn)輕量化。
[0025]分光系統(tǒng)采用利特羅(Littrow)結構，Littrow系統(tǒng)又被稱為是自準直系統(tǒng)，由入射狹縫，準直透鏡組，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，可以實現(xiàn)I: I成像。經(jīng)由望遠鏡收集到的光束通過入射狹縫進入分光系統(tǒng)，經(jīng)準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結構下沿入射路徑返回，此時的準直透鏡組相當于聚焦透鏡組，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條紋。整個分光系統(tǒng)的相對孔徑主要由準直部分(聚焦部分)的光學結構所確定。此外，在設計優(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。
[0026]分光器件幾何參數(shù)還需要考慮衍射特性的設計，取決于光譜成像系統(tǒng)指標。本發(fā)明中，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。
[0027]3、系統(tǒng)集成
[0028]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)獨立設計，然后進行系統(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。
[0029]如上所述，根據(jù)本發(fā)明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的輻射經(jīng)前置物鏡進入系統(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)由準直鏡組準直，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)準直及聚焦鏡組3聚焦在面陣探測器5上，實現(xiàn)精細光譜成像。
[0030]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 X 240 X 600mm3。
[0031]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的優(yōu)點在于: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、像方遠心光路，在面陣探測器表面可以達到均勻的能量分布;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】
[0032]圖1是本發(fā)明實施例所提供的光譜成像系統(tǒng)的結構示意圖；
[0033]圖2是本發(fā)明實施例所提供的光譜成像系統(tǒng)的光路示意圖；
[0034]圖3是本發(fā)明實施例所提供的光譜成像系統(tǒng)中浸沒式光柵元件的結構示意圖；
[0035]其中:
[0036I1、前置系統(tǒng)；
[0037]2、入射狹縫；
[0038]3、準直及聚焦鏡組；
[0039]4、浸沒式平面光柵；
[0040]5、面陣探測器；
[0041 ]6、系統(tǒng)主光軸；
[0042]7、色散分光后出射的三種不同波長的光線；
[0043]8、分光系統(tǒng)；
[0044]9、浸沒式光柵基底材料；
[0045]10、光柵刻劃面；
[0046]11、浸沒式光柵表面
【具體實施方式】
[0047]下面結合圖給出本發(fā)明一個較好的實施例，主要用作進一步詳細說明本發(fā)明的特點，而非用來限定本發(fā)明的范圍:
[0048]圖1是本發(fā)明具體實施例的緊湊型高分辨率寬視場光譜成像儀的結構示意圖。參見附圖1，前置物鏡I為四片式結構;分光系統(tǒng)8由入射狹縫2、準直及聚焦鏡組3、浸沒式平面光柵4、面陣探測器5構成。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。
[0049]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的輻射信號經(jīng)過前置系統(tǒng)I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，沿著不同的角度進入準直及聚焦鏡組3，最終匯聚在面陣探測器5的不同位置，實現(xiàn)譜線分離。面陣探測器5上顯示的是呈精細條紋狀的像。由于準直與聚焦鏡采用同一組鏡片，系統(tǒng)實現(xiàn)了放大率為1:1的成像。
[0050]圖3是本發(fā)明實施例所提供的光譜成像系統(tǒng)中浸沒式光柵的具體結構示意圖。參見附圖3，本發(fā)明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°。
[0051]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Q1，然后以02的入射角至浸沒式光柵表面U，出射光線的出射角為θ3，然后進入聚焦鏡組3，聚焦于面陣探測器5上。
[0052]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5mmX 20μηι，光譜分辨率達到0.08nm，像元尺寸為20μηι，穿軌方向瞬時視場為
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)的設計中，F(xiàn)數(shù)設計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)設計為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5μηι以內(nèi)，遠小于探測器像元尺寸30μηι。系統(tǒng)體積為240 X 240 X 600mm3。系統(tǒng)保證了寬視場、高光譜分辨率，同時實現(xiàn)緊湊化與輕量化設計。
【主權項】
1.一種緊湊型高分辨率寬視場光譜成像系統(tǒng)，包括前置物鏡(I)、入射狹縫(2)、準直及聚焦鏡組(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)，其特征在于: 所述的前置物鏡(I)為四片式鏡片結構； 所述的浸沒式平面光柵(4)切面呈等腰直角三角形； 所述的準直及聚焦鏡組(3)為一組四片式鏡片結構； 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的輻射經(jīng)前置物鏡(I)進入系統(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)準直鏡組(3)準直，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)準直及聚焦鏡組(3)聚焦在像平面上的面陣探測器(5)上，實現(xiàn)精細光譜成像。2.根據(jù)權利要求1所述的一種緊湊型高分辨率寬視場光譜成像系統(tǒng)其特征在于:所述的前置物鏡(I)的視場角為20°，F(xiàn)數(shù)為2，光學長度小于60mm;工作波長在1550_1650nm范圍內(nèi)。3.根據(jù)權利要求1所述的一種緊湊型高分辨率寬視場光譜成像系統(tǒng)其特征在于:所述的入射狹縫(2)的長度為5_。4.根據(jù)權利要求1所述的一種緊湊型高分辨率寬視場光譜成像系統(tǒng)其特征在于:所述的浸沒式平面光柵(4)的體積尺寸小于240 X 240 X 240mm3，光柵常數(shù)為1200-1300。5.根據(jù)權利要求1所述的一種緊湊型高分辨率寬視場光譜成像系統(tǒng)其特征在于:所述的分光系統(tǒng)(8)的體積尺寸小于240 X 240 X 540mm3，放大率為1:1。6.根據(jù)權利要求1所述的一種緊湊型高分辨率寬視場光譜成像系統(tǒng)其特征在于:所述的面陣探測器(5)的像元尺寸為20μπι，像元數(shù)為1200 X X 256。
【文檔編號】G01N21/25GK106066307SQ201610406795
【公開日】2016年11月2日
【申請日】2016年6月12日 公開號201610406795.5, CN 106066307 A, CN 106066307A, CN 201610406795, CN-A-106066307, CN106066307 A, CN106066307A, CN201610406795, CN201610406795.5
【發(fā)明人】朱學謙, 鈕新華, 丁雷, 成龍, 翟永立, 張子儒
【申請人】中國科學院上海技術物理研究所