CN101975611A - 双狭缝凸面光栅成像光谱仪 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于星载或者机载对地观察双狭缝凸面光栅成像光谱仪，该系统为折射透镜，凸球面反射光栅和凹球面反射镜构成的成像光谱仪，通过在物空间设置双狭缝，使像空间不同位置形成对应狭缝各自的谱面，谱面上可以用多个探测器模块交错排放拓展视场，通过对多个探测器进行空间位置的调整，可改善成像质量与光谱弯曲；也可以在同一探测器上形成双狭缝光谱成像，将探测器读出帧频要求降低一倍，解决高速飞行的航空航天器中仪器帧频过高的问题。主要应用于机载或星载光谱成像系统。
Description
技术领域
本发明涉及光学元件、系统，具体是指一种用于机载或星载对地观察超光谱成像仪中的一种双狭缝凸面光栅成像光谱仪。
背景技术
目前常见的凸面成像光谱仪一般采用OFFNER结构，在物空间放置单狭缝。例如在专利CN1391090A中，沈蓓军等提出的折反射式凹面光栅成像光学系统中，在物空间放置单狭缝，子午方向视场属于线视场，像方放置焦平面器件，接受来自该狭缝的空间维和光谱维的成像。在专利US2003/0067600A1中，Brian Curtiss等提出的单光谱仪多输入方法与系统中，其光谱仪为测量光强的光栅为凹面，通过分割单狭缝实现多输入，子午方向视场亦属于线视场，系统仅得到每个输入的光谱维信息，不包含空间维成像信息。
在航空航天遥感应用中，将凸面光栅成像光谱仪狭缝平行于飞行方向放置，通过沿轨方向飞行的推帚扫描，对地物成三维光谱图像，其每一次成像只能获取一个条带的光谱成像，在高速飞行的航天器中，存在着成像帧频过高的问题。
凸面光栅成像光谱仪弧矢视场(穿轨方向)比较大，其狭缝长度可以达到60mm甚至更长，这样在像方的视场随着扩大。而目前工艺水平不能做到这种大尺寸的焦平面器件，因此一般采用器件的拼接来实现。采用传统的单狭缝线视场凸面光栅成像光谱仪时，焦平面器件拼接存在间隙，会造成地物图像缺失。此外，宽幅大视场的光谱成像仪，谱面存在较大弯曲。
发明内容
基于上述传统凸面光栅成像系统存在的两个的问题，本发明提出一种双狭缝凸面光栅成像光谱仪。本发明的目的是：通过拓展视场在物空间设置双狭缝，使像空间不同位置形成对应狭缝各自的谱面，可以用多个探测器模块交错排放消除拼接间隙和图像的缺失，并通过对探测器空间位置的调整，改善成像质量与光谱弯曲；也可以在同一探测器上形成双狭缝光谱成像，将测器读出帧频降低一倍，解决高速飞行的航空航天器中仪器帧频过高的问题。
本发明的双狭缝凸面光栅成像光谱仪的结构如图1所示，按顺序由物空间狭缝1，狭缝2，折射透镜3，凹球面反射镜4，凸球面反射光栅5构成的成像光学系统。来自物空间狭缝1，狭缝2的光束1与光束2，经折射透镜3，射向凹球面反射镜4，经其反射至凸球面反射光栅5，再由凸球面反射光栅5，射向凹球面反射镜4，再由凹球面反射镜4，经折射透镜3，在像空间形成谱面6，谱面7。面阵探测器放置于谱面6，谱面7上。
本发明最大的优越性是克服传统光谱仪单条狭缝的局限，在物空间设置双狭缝，像空间同时得到双狭缝对应的谱面，在两谱面上放置同一面阵探测器，可将读出电路帧频的要求降低一倍。在宽幅大视场光谱仪中，可在两谱面上交错成品字形排列多各探测器，解决大面阵器件拼接过程中存在间隙而造成地物图像缺失的问题，同时可改善光谱弯曲。
附图说明
图1为双狭缝凸面光栅成像光谱仪的结构图，其中：R1为折射透镜3前表面半径；R2为折射透镜3后表面半径；R3为凸球面反射光栅半径；R4为凹球面反射镜4半径；d1为狭缝1与狭缝2所在物空间平面与折射透镜3之间距离；d2为折射透镜3与凹球面反射镜4之间距离；d3为凹球面反射镜4与凸球面反射光栅5之间距离；d4为折射透镜3厚度，d5为折射透镜3与谱面6、谱面7所在像空间平面之间距离，d6为狭缝2离轴量；d7为狭缝1离轴量；d8为谱面7离轴量；d9为谱面6离轴量；
图2为图1所示双狭缝凸面光栅成像光谱仪的左视图，其中狭缝1，狭缝2位于同一平面内；谱面6，谱面7位于同一平面内；
图3为谱面6，谱面7上面阵探测器的排列方式；可以放置同一面阵探测器在谱面6与谱面7上(图3a)，也可以交错成品字形排列(图3b)。
具体实施方法
按本发明中附图1所示的光学系统结构，我们设计了一双狭缝成像光谱仪，光谱仪的技术指标如下：
工作波段：1.0μm～2.5μm
系统F数：F/3.0；
物空间狭缝长度：60mm
光谱分辨率：312nm/mm
双狭缝成像光谱仪物空间采用狭缝1的离轴量为75mm，狭缝尺寸为60mm×0.03mm；狭缝2的离轴量为57mm，尺寸为60mm×0.03mm；双狭缝之间间距为18mm；狭缝1对应谱面6的离轴量为-80.6mm，尺寸为60mm×4.8mm；狭缝2对应谱面7的离轴量为-62.6mm，尺寸为60mm×4.8mm。
系统的探测器可采用如下选择：
a)选用单个2048×1024元短波红外MCT探测器，像元大小为30μm×30μm；该探测器同时覆盖谱面6，谱面7，如图3a所示。
b)选用8个256×256元短波红外MCT探测器，像元大小为30μm×30μm；谱面6、谱面7交错成品字形排列放置4短波探测器，如图3b所示。
系统具体结构参数如下表：
离轴量(mm) 物象高(mm) 曲率半径(mm) 间隔(mm) 备注
物面狭缝1 75 60×0.03 0
物面狭缝2 57 60×0.03 d1：135
透镜3 0 R1：-118.85 d4：13 石英
0 R2：-132.51 d2：194.11
反射镜4 0 R4：-331.27 d3：-171.79
凸面光栅5 0 R3：-159.68 d3：171.79 20线对/mm
反射镜4 0 R4：-331.27 d2：-194.11
透镜3 0 R2：-132.51 d4：-13 石英
0 R1：-118.85 d5：-113.57
像方谱面6 -80.6 60×4.8 平面 0
像方谱面7 -62.6 60×4.8 平面
Claims (1)
1.一种双狭缝凸面光栅成像光谱仪，包括双狭缝、折射透镜、凸球面反射光栅和凹球面反射镜，其特征在于：在物平面离轴放置了两条平行狭缝，即狭缝(1)与狭缝(2)；在像空间与狭缝(1)与狭缝(2)对应的谱面(6)，谱面(7)上放置一面阵探测器，或者交错成品字形排列放置多个面阵探测器；来自物空间狭缝(1)，狭缝(2)的光束1与光束2，经折射透镜(3)，射向凹球面反射镜(4)，经其反射至凸球面反射光栅(5)，再由凸球面反射光栅(5)，射向凹球面反射镜(4)，再由凹球面反射镜(4)，经折射透镜(3)，在像空间形成谱面(6)和谱面(7)，谱面(6)和谱面(7)上的光谱信息被安置在谱面上的面阵探测器获取。
Priority Applications (1)
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| CN 201010285342 CN101975611A (zh) | 2010-09-17 | 2010-09-17 | 双狭缝凸面光栅成像光谱仪 |
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Publications (1)
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