CN101050979A - 全反射式高分辨率大视场傅立叶变换成像光谱仪的光路结构 - Google Patents
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Abstract
一种全反射式高分辨率大视场傅立叶变换成像光谱仪的光路结构,整个装置由三反射式前置望远镜、入射狭缝、菲涅尔双面镜、三反射式后置准直镜、三反射式柱面镜、焦平面探测器等部分组成。三反射式前置望远镜将目标成像于一维狭缝上;狭缝的像投射到菲涅尔双面镜上,并被剪切为两束具有一定交角的相干光;这两束光再经过三反射式后置准直镜后成为平行光束并以一定角度投射到三反射式柱面镜;经过聚焦最后投射到焦平面探测器表面,形成一维干涉条纹分布和另一维的灰度图像分布。本发明装置具有高分辨率、宽视场、宽光谱范围、高光通量以及光学结构小型化的特点,特别适合于航空航天遥感对地观测领域的高光谱成像系统。
Description
技术领域
本发明涉及一种全反射式高分辨率大视场傅立叶变换成像光谱仪的光路结构,属于对地观测领域中成像光谱仪的技术范畴;特别涉及高分辨率大视场的成像光谱仪技术。
背景技术
傅立叶变换成像光谱仪(Fourier Transform Imaging Spectrometer)属于一种成像型干涉仪(Imaging Interferometer)。与传统的色散型成像光谱仪相比较,傅立叶变换成像光谱仪具有输入光通量大、光谱分辨率高的特点,因此特别适合于航空航天对地观测领域中的高光谱成像(Hyper Spectral Imaging)。从光学原理上看,傅立叶变换成像光谱仪可以划分为时间调制(Temporarily Modulated)干涉成像光谱仪和空间调制(Spatially Modulated)干涉成像光谱仪两大类。前者以依靠动镜扫描的迈克尔逊(Michelson)傅立叶变换成像光谱仪为代表;后者的典型代表主要有采用Sagnac分束结构或其变体的傅立叶变换成像光谱仪、双折射晶体分束式即偏振干涉式傅立叶变换成像光谱仪,等等。由于时间调制干涉成像光谱仪在光谱测量时对测量平台的振动很敏感,为实现高精度光谱图像测量,则需要很好的稳定机构和高精度机械扫描机构。因此空间调制干涉成像光谱仪成为目前高分辨率傅立叶变换成像光谱仪的主要发展方向。
现有的空间调制成像光谱仪大都采用透反式或透射式的分束干涉结构;其透射光学材料必将带来光谱范围有限、光能损失较大、光学系统色差等问题。全反射式的成像光谱仪在原理上可以避免上述问题,因此发展全反射式的傅立叶变换成像光谱仪有实际意义。
在国际专利方面,美国专利US4523846[8]和US5777736[9]分别介绍了采用Sagnac分束结构的干涉型成像光谱仪,二者都包含透反式或透射式光学部件;美国专利US5260767[10]虽然介绍了一种全反射式成像光谱仪,但它采用的是色散型分光结构,不属于傅立叶变换成像光谱仪的类型。
在国内专利方面,中国专利No.99115952[11]和No.99256131[12]分别介绍了采用Sagnac分束结构的干涉型成像光谱仪;No.01213109[13]、No.01213108[14]以及No.99256129[15]分别介绍了采用偏振型器件的干涉型成像光谱仪。虽然我们在中国专利200510055609.X中曾经提出过采用菲聂耳双面镜的全反射式傅立叶变换成像光谱仪,但是尚未涉及高分辨率、大视场的全反射式傅立叶变换成像光谱仪的实现方法。因此,本发明提出一种全反射式高分辨率大视场的傅立叶变换成像光谱仪的光路结构。
参考文献
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[13]张淳民,相里斌,赵葆常,杨建峰,超小型稳态偏振干涉成像光谱仪,中国专利:01213109。
[14]张淳民,稳态大视场偏振干涉成像光谱仪,中国专利:01213108。
[15]相里斌,杨建峰,阮萍,张淳民,王炜,偏振型干涉成像光谱仪,中国专利:99256129。
发明内容
本发明给出了全反射式高分辨率大视场的傅立叶变换成像光谱仪的光路结构。整个装置由前置光学系统、狭缝、菲涅尔双面镜、后置准直系统、三反射式柱面镜、焦平面探测器等部分组成。在前置光学系统、后置准直系统中采用了离轴三片非球面镜组合的光路结构,既有利于更好地满足大相对孔径、高分辨率以及大视场条件下的边沿像质或提高系统的传递函数特性,又有利于折叠反射光路,达到光路结构小型化的目的。在反射式柱面镜系统中采用离轴三片抛物柱面反射镜的光路结构,可以改善像质、提高光能利用率,以保证在整个视场范围内都获得好的成像质量。
在本发明中,三反射式前置望远镜把远距离的线状物成像在入射狭缝上,这相当于在空间遥感系统中,把垂直于推扫方向的远距离地面的线状目标成像于干涉系统的入射狭缝上。通过狭缝之后的出射光投射到菲涅尔双面镜表面,菲涅尔双面镜可以实现从可见光到热红外的宽光谱反射特性;经过菲涅尔双面镜反射后,由狭缝上发出的一束光被剪切成两束具有一定交角的光束;该两束光再经过三反射式后置准直镜投射到三反射式柱面镜上,三反射式柱面镜的母线与菲涅尔双面镜的交线相互垂直,因此可以把狭缝的一维灰度图像聚焦到探测器表面,同时又不妨碍菲涅尔双面镜的两束光在探测器表面产生另一维干涉条纹。在焦平面探测器表面同时形成一维干涉条纹分布和另一维的灰度图像分布。
本发明装置具有高分辨率、宽视场、宽光谱范围、高光通量以及光学结构小型化的特点,特别适合于航空航天遥感对地观测领域的高光谱成像系统。
附图说明
图1为本发明的全反射式高分辨率大视场的傅立叶变换成像光谱仪的光路结构示意图。
图2为实施例原理图。
图3为卫星对地观测光路计算示意图。
图中主要结构为:1-三反射式前置望远镜,2-狭缝,3-菲涅尔双面镜,4-三反射式后置准直镜,5-三反射式柱面镜,6-焦平面探测器
具体实施方式
本发明叙述的全反射式高分辨率大视场傅立叶变换成像光谱仪,其特点是在光学系统中采用一组菲涅尔双面反射镜和三个三反射式光学结构;三个三反射式光学结构分别作为傅立叶变换成像光谱仪的前置光学系统,后置准直系统以及反射柱面镜系统。
采用现结合图1对本发明的工作原理说明如下:
如图所示,本发明装置由三反射式前置望远镜1、狭缝2、菲涅尔双面镜3、三反射式后置准直镜4、三反射式柱面镜5以及焦平面探测器6组成。
三反射式前置望远镜1把远距离的线状物成像在狭缝2上,这相当于在空间对地观测系统中,把垂直于推扫方向的远距离地面的线状目标成像于干涉系统的入射狭缝上。通过狭缝2之后的出射光投射到菲涅尔双面镜3表面;经过菲涅尔双面镜3反射后,狭缝2出射的一束光被剪切为两束互相成一定交角的光;该两束光再经过三反射式后置准直镜4投射到三反射式柱面镜5上,经过聚焦最后投射到焦平面探测器6表面,最后在焦平面探测器6表面同时形成一维干涉条纹分布和另一维的灰度图像分布。
其中,入射狭缝2的方向与菲涅尔双面镜3的交线方向平行,三反射式柱面镜5的母线方向与菲涅尔双面镜3的交线方向和入射狭缝2的方向相互垂直;干涉条纹的方向与三反射式柱面镜5母线平行。
实施举例
在图2所示的实施例中,将本发明装置搭载于卫星平台上对地面目标进行采样。如图3所示,X方向为穿轨方向(狭缝长度方向),Y方向为卫星运行方向,Z方向为卫星高度方向。X方向上的对应地面宽度为51.2km,卫星轨道高度为700km。
三反射式前置望远镜1采用离轴三片非球面镜组合的光路结构,等效焦距约为253mm,有效口径φ100mm。第一反射面的面型参数为:半径-301.437mm,二次曲面系数-0.8354564329;第二反射面的面型参数为:半径-82.670mm,二次曲面系数-4.1180812985;第三反射面的面型参数为:半径-127.800mm,二次曲面系数-0.1246995413。同时,为了减小系统尺寸,达到小型化、轻量化的目的,使主镜到次镜和次镜到第三镜的距离大致相等,约为2.5mm。狭缝2位于三反射式前置望远镜1的焦点附近,因此,被测目标的像被成在狭缝的入射面上。狭缝2的出射光以一定角度投射到菲涅尔双面镜3的中心区域;经过菲涅尔双面镜3反射后,入射狭缝2出射的一束光被剪切为两束互相成一定交角的光;该两束光再经过三反射式后置准直镜4准直后成为平行光束并以一定角度投射到三反射式柱面镜5上;其中,三反射式后置准直镜4采用的离轴三片非球面镜的参数与三反射式前置望远镜1相同;三反射式柱面镜5采用离轴设计的抛物线形柱面镜,为了保持系统的总视场角不发生变化,三反射式柱面镜5的等效焦距与前置望远镜相同,即为253mm,有效口径100×100mm,离轴距离30mm;经过聚焦最后投射到焦平面探测器6表面,焦平面探测器采用高灵敏度高动态范围的大面阵CCD(如1K×1K,像素单元尺寸根据瞬时视场计算)。CCD图像采集量化精度为12bit。图像采集控制及信号处理采用微型计算机系统,它完成扫描控制、干涉图像采集、噪声处理、切趾处理、相位校正、FFT变换、数据存储及传输等功能。
在本实施例中,光学系统的总视场角为:
FOV=幅宽/高度=51.2/700=73.14mrad
设光学系统瞬时视场角对应的地面目标尺寸为50m,则可以根据飞行高度计算出瞬时视场角:
IFOV=50/(700×103)≈0.07mrad
因此该瞬时视场角对应的狭缝宽度a可以根据前置物镜焦距进行计算:
a=0.07×253≈18.07um
CCD的象素单元尺寸d与瞬时视场对应,因此约等于狭缝宽度,即:
d≈18.07um
又设干涉系统要求的波数分辨率为100cm-1,CCD感光面接收的干涉光束沿狭缝宽度方向上的有效宽度2ξM=1K×d,则对应的菲涅尔双面镜的交角θ为:
2ξM=1K×d=1024×18.07um=1.85cm
同时,由CCD单元尺寸d限制的干涉系统可探测的截止波长λcut-off为:
λcut-off=4dsinθ≈0.404um
Claims (2)
1.一种全反射式高分辨率大视场傅立叶变换成像光谱仪的光路结构,其特征是在光学系统中采用一组菲涅尔双面反射镜(3)和另外三组三反射式消像散光学结构(1)、(4)和(5)。
2.权利要求1所述的全反射式高分辨率大视场傅立叶变换成像光谱仪的光路结构。整个光路结构包括三反射式前置望远镜(1)、狭缝(2)、菲涅尔双面镜(3)、三反射式后置准直镜(4)、三反射式柱面镜(5)、焦平面探测器(6);狭缝(2)位于其前方的三反射式前置望远镜(1)的焦平面上;菲涅尔双面镜(3)位于光学狭缝(2)之后;三反射式后置准直镜(4)的物方焦点与菲涅尔双面镜(3)的位置重合;三反射式后置准直镜(4)后设置有三反射式柱面镜(5)、焦平面探测器(6);狭缝(2)的方向垂直于纸面,三反射式柱面镜(5)母线分别与菲涅尔双面镜(3)两镜的交线及狭缝(2)垂直。上述三反射式消像散光学结构即可以采用同轴设计也可以采用离轴设计。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |