CN101368849A - 紧凑型菲涅尔双面镜全反射大视场干涉成像光谱仪光路结构 - Google Patents

紧凑型菲涅尔双面镜全反射大视场干涉成像光谱仪光路结构 Download PDF

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一种紧凑型菲涅尔双面镜全反射大视场干涉成像光谱仪光路结构，属于对地观测领域中成像光谱仪的技术范畴。本发明是由反射式前置望远镜、入射狭缝、紧凑型准直结构、菲涅尔双面镜、离轴柱面反射镜、焦平面探测器等部分组成。反射式前置望远镜将目标成像于一维狭缝上；狭缝的像投射到紧凑型准直结构，在准直的光路中加入了菲涅尔双面镜结构，使光束在准直的同时被剪切为两束具有一定交角的相干平行光；这两束光再经过离轴柱面反射镜镜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。本发明具有全反射、准直及干涉结构紧凑、宽视场、高光通量以及光学结构小型化的特点，该结构可应用于航空航天遥感对地观测领域。

Description

紧凑型菲涅尔双面镜全反射大视场干涉成像光谱仪光路结构
技术领域
本发明涉及一种紧凑型菲涅尔双面镜全反射大视场干涉成像光谱仪光路结构，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，属于成像光谱技术领域。
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高光通量、高光谱分辨率、高信噪比等特点，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 SpectralImaging)。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。前者以动镜扫描型的迈克尔逊(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。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稳定性要求较高，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。而空间调制型在干涉维方向瞬时获取各光程差的干涉条纹，更易实现高精度光谱的测量。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。紧凑型全反射式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具有实际意义。
在国际专利方面，美国专利US4523846和US5777736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，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和No.99256131分别介绍了采用Sagnac分束结构的干涉型成像光谱仪；No.01213109、No.01213108以及No.99256129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涅尔双面镜的全反射式傅立叶变换成像光谱仪，但是尚未涉准直干涉一体化的光学结构及高分辨率、大视场的全反射式傅立叶变换成像光谱仪的实现方法。紧凑型结构特点在一定的性能参数指标下有效的减少了系统的干涉反射次数，有利于光学结构的小型化。因此提出了紧凑型菲涅尔双面镜全反射大视场干涉成像光谱仪光路结构。
发明内容
本发明给出了紧凑型菲涅尔双面镜全反射大视场干涉成像光谱仪光路结构。
本发明由反射式前置望远镜、狭缝、紧凑型准直结构、菲涅尔双面镜、离轴反射式柱面镜、焦平面探测器等部分组成。
狭缝(2)位于其前方的反射式前置望远镜(1)的焦平面上；菲涅尔双面镜(4)位于紧凑式准直结构(3)之后；菲涅尔双面镜(4)位于紧凑式多片光路结构(3)中，使之形成准直与干涉于一体的光学结构；紧凑式准直结构(3)、(4)后设置有离轴反射式柱面镜(5)、焦平面探测器(6)；狭缝(2)的方向垂直于纸面，菲涅尔双面镜(4)交线方向垂直于纸面，离轴反射式柱面镜(5)母线分别与菲涅尔双面镜(4)两镜的交线及狭缝(2)垂直。
在前置光学系统、后置准直结构中采用了离轴反射镜组合的光路结构，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。在紧凑型的多片准直光学结构中加入了菲涅尔双面镜，使之在准直的同时又能够实现干涉的功能，有效的缩短了反射式光路结构的体积，同时多片式的准直系统全部由球面反射镜组成，并且在狭缝方向较宽的视场内都有很好的准直效果，这一光学结构具有可以改善像质、提高光能利用率以及紧凑型等特点。
在本发明中，前置望反射式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紧凑型准直光路结构中，菲涅尔双面镜可以实现从可见光到热红外的宽光谱范围反射特性；经过菲涅尔双面镜反射后，准直光路中一束光被剪切成两束具有一定交角的光束；该两束光再经过离轴反射式柱面镜上，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成像到探测器表面，同时又不妨碍菲涅尔双面镜的两束光在垂直于狭缝方向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垂直于干涉维方向的灰度图像分布。
本发明的优点是具有准直干涉功能一体化、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—本发明的紧凑型菲涅尔双面镜全反射大视场干涉成像光谱仪光路结构示意图；
图2—实施例原理图；
图3—为卫星对地观测推扫光路系统示意图；
其中：图1、2中1-反射式前置望远镜，2-狭缝，3-紧凑型准直结构，4-菲涅尔双面反射镜，5-离轴反射式柱面镜，6-焦平面探测器；
图3中1-反射式前置望远镜，2-狭缝，7—地物目标。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
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紧凑型准直结构和菲涅尔双面反射镜结合的光学结构；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，离轴柱面镜系统用于提高条纹信噪比及在垂直于干涉维方向成像。
如图1所示，本发明由反射式前置望远镜1、狭缝2、紧凑型准直结构3、菲涅尔双面镜4、离轴反射式柱面镜5以及焦平面探测器6组成。
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紧凑型准直结构3；经过菲涅尔双面镜4剪切反射后，出射的一束光被剪切为两束互相成一定交角的光；该两束光再经过离轴反射式柱面镜5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4的交线方向平行，离轴反射式柱面镜5的母线方向与菲涅尔双面镜4的交线方向和入射狭缝2的方向相互垂直；干涉条纹的方向与离轴反射式柱面镜5母线平行。
实施例
如图2所示，将紧凑型菲涅尔双面镜全反射大视场干涉成像光谱仪光路结构搭载于卫星平台上对地面目标进行采样。图3中，Y方向为穿轨方向(狭缝长度方向)，X方向为卫星运行方向，Z方向为卫星高度方向。Y方向上的对应地面宽度为50km，卫星轨道高度为750km。
反射式前置望远镜1采用离轴非球面单镜或组合的光路结构，等效焦距约为250mm，有效口径φ100mm。狭缝2位于反射式前置望远镜1的像方焦点附近，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紧凑型多片准直结构3中；经过菲涅尔双面镜4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；该两束光再经过准直结构最后一片反射镜后剪切为成微小交角的两束平行光束，然后一定角度投射到离轴式反射式柱面镜5上；其中，紧凑型多片式中第一反射面球面半径为123.609859mm，第二面半径为74.439879mm，第三面半径为225.366960mm，第四面半径为814.179600mm；为了保持系统的总视场角不发生变化，反射式柱面镜5的等效焦距与前置望远镜相同，即为250mm，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、数据存储及处理等功能。
在本实施例中，光学系统的总视场角为：
FOV＝幅宽/高度＝50/750＝66.67mrad
设大面阵CCD的有效象素为1000，则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/(750×103)≈0.067mrad
因此该瞬时视场角对应的狭缝宽度d可以根据前置物镜焦距进行计算：
d＝0.067×250≈16.75um
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′≈16.75um
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′为：
2ξM＝1K×d′＝1000×16.75um＝1.675cm
则对应的菲涅尔双面镜的交角θ为：
Figure A200710120416D00071
同时，由CCD单元尺寸及采样频率所共同决定干涉系统可探测的截止短波长λcut-off为：
λcut-off＝4d′sinθ＝4*16.75*sin0.34＝0.3999≈400nm

Claims (2)

1.一种紧凑型菲涅尔双面镜全反射大视场干涉成像光谱仪光路结构，其特征在于：本光路结构是由反射式前置望远镜(1)、狭缝(2)、紧凑型准直结构(3)、菲涅尔双面镜(4)、离轴反射式柱面镜(5)以及焦平面探测器(6)组成。
2.权利要求1所述的紧凑型菲涅尔双面镜全反射大视场干涉成像光谱仪光路结构，其特征在于：狭缝(2)位于其前方的反射式前置望远镜(1)的焦平面上；菲涅尔双面镜(4)位于紧凑式准直结构(3)之后；菲涅尔双面镜(4)位于紧凑式多片光路结构(3)中，使之形成准直与干涉于一体的光学结构；紧凑式准直结构(3)、(4)后设置有离轴反射式柱面镜(5)、焦平面探测器(6)；狭缝(2)的方向垂直于纸面，菲涅尔双面镜(4)交线方向垂直于纸面，离轴反射式柱面镜(5)母线分别与菲涅尔双面镜(4)两镜的交线及狭缝(2)垂直。
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