CN102981200A - 阿基米德螺旋线形滤光盘和滤光装置及其设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了阿基米德螺旋线形滤光盘和滤光装置及其设计方法，属于多波段成像领域。本发明提供了一种阿基米德螺旋线形滤光盘，滤光盘上根据由盘面圆心处划出阿基米德螺旋线，划分出滤光区域；本发明使用该滤光盘设计了一种阿基米德螺旋线形滤光装置，搭配逐行读出方式的探测器。进一步地本发明提出了阿基米德螺旋线形滤光盘设计方法，首先根据探测器尺寸和分光波段数确定阿基米德螺旋线的形状，其次依据最小极径原则和安全系数原则确定了滤光盘的半径；本发明同样提出了一种阿基米德螺旋线形滤光装置设计方法，提出滤光盘同步曝光误差的概念，使用同步曝光误差最小原则确定探测器放置的相对位置。本发明能够提高滤光效率，适用于光学分光设备。

Description

阿基米德螺旋线形滤光盘和滤光装置及其设计方法

技术领域

本发明涉及阿基米德螺旋线形滤光盘和滤光装置及其设计方法，适用于光学分光，属于多波段成像领域。

背景技术

滤光片轮是实现多波段分光的常用装置。多组滤光片安装在滤光片轮上，旋转电机控制滤光片轮的转动，即可将入射辐射分成不同波段的光辐射。

目前分光波段为10个以下的多光谱成像产品多采用滤光片轮，滤光片轮如图1所示。美国FLIR公司的红外光谱成像仪Orion SC7000在镜头的焦平面之前加入一个旋转的滤光片轮，滤光片轮安装8片滤光片，光谱响应范围为3～5μm和7～9μm；加拿大Telops公司的TEL-1000系列中波红外光谱成像仪和HD-IR高清红外热像仪也使用旋转滤光片轮，安装8片滤光片；法国Bertin公司的Second sight TC气体成像仪光谱响应范围是8～14μm，加入的旋转滤光片轮可安装6片滤光片。滤光片轮针对帧读出方式的探测器，其工作原理为：转动滤光片轮，在滤光片转动到探测器的相应位置时，滤光片轮停止转动，探测器进行积分，积分结束后滤光片继续转动，转到下一片滤光片进行滤光，如此循环。

由滤光片轮的工作原理可以看出：由于滤光片需要停下来等待探测器进行积分，利用滤光片轮实现多波段分光时电机不是连续转动的，因此这一定程度上降低了工作效率；而且这种“时停时转”的设计，不仅产生大量能耗，对于电机的性能也提出了较高的要求，加重了对电机的损耗，缩短了电机的使用寿命。

发明内容

有鉴于此，针对传统的滤光片轮进行多波段分光时存在的高能耗、低效率的缺陷，本发明设计了阿基米德螺旋线形滤光盘，为使该滤光盘达到最好的推扫效果本发明提出了阿基米德螺旋线形滤光盘设计方法，本发明同时采用该推扫滤光盘设计了滤光装置。使用本发明能够提高滤光的时间效能，并提升工作效率。

为达到上述目的，本发明的技术方案为：

本发明提供了一种阿基米德螺旋线形滤光盘，滤光盘为圆盘形结构，滤光盘上以滤光盘圆心为起点划出n＇条阿基米德螺旋线，n＇条阿基米德螺旋线将滤光盘划分出n＇个滤光区域，每个滤光区域安装一个滤光片；n＇为阿基米德螺旋线形滤光盘的分光波段数；

n＇条阿基米德螺旋线线形相同。

本发明还提供了一种阿基米德螺旋线形滤光装置，其特征在于，包括阿基米德螺旋线形滤光盘和探测器；探测器置于滤光盘的滤光区域；

阿基米德螺旋线形滤光盘为圆盘形结构，滤光盘上以滤光盘圆心为起点划出n＇条阿基米德螺旋线，n＇条阿基米德螺旋线将滤光盘划分出n＇个滤光区域，每个滤光区域安装一个滤光片；n＇为阿基米德螺旋线形滤光盘的分光波段数；

探测器为逐行读出方式的探测器。

本发明提出了一种阿基米德螺旋线形滤光盘设计方法，包括如下步骤：

假设滤光盘分n＇个分光波段，每个波段的曝光时间相同；

步骤一，以o为原点，作x轴、y轴，建立滤光盘的直角坐标系，以o点作为滤光盘的圆心，则滤光盘上阿基米德螺旋线的极坐标表达式为：

r＝χθ

式（1）中，r是极径，θ是极角，χ是比例系数；

取：

$\mathrm{\χ}=\frac{n^{\′}p\sqrt{m^2+n^2}}{2\mathrm{\π}}$

式中，与滤光盘搭配使用的探测器的像元间距为p，像元规模为m×n；根据χ所决定的线形，以及滤光盘的分光波段数n＇，划分出n＇片滤光片每片所在区域；

步骤二，确定滤光盘有效滤光区半径R₀，计算滤光盘有效滤光区的最小半径，令滤光盘中阿基米德螺旋线的最小极径为r_min：

r_min＝χθ₀

滤光盘有效滤光区的最小半径R₁为：R₁＝r_min+AC；选择滤光盘有效滤光区半径R₀≥R₁；与滤光盘搭配使用的探测器为矩形ABCD，所述AC为矩形ABCD的对角线长度；

所述的滤光盘有效滤光区半径R₀加上支撑结构和同步信号孔大小后作为最终的滤光盘半径R。

优选地，步骤二中确定滤光盘有效滤光区半径R₀时：

计算滤光盘有效滤光区的安全半径R₂：选择1.8倍的安全系数，将探测器对角线长度的1.8倍作为有效滤光区的安全半径R₂。

选择R₁和R₂之间较大值作为滤光盘有效滤光区半径R₀。

本发明还提出了一种阿基米德螺旋线形滤光装置设计方法，滤光装置包括阿基米德螺旋线形滤光盘和探测器；探测器为逐行读出方式的探测器；其设计步骤为：

步骤⑴、依据如权利要求3所述的设计方法设计阿基米德螺旋线形推扫滤光盘。

步骤⑵、探测器置于滤光盘盘面的第一、二象限内，假设探测器为光敏面为矩形ABCD，光敏面的A点置于滤光盘面的边缘，A点连接的两边分别平行于x轴、y轴。

步骤⑶、以x轴方向作为0°，探测器光敏面的A点在滤光盘上的映射位置对应的极径与x轴的夹角为φ，在0°<φ<180°的范围内，计算φ取不同角度值时的同步曝光误差，φ=φ₀时同步曝光误差最小，则探测器光敏面的A角位于滤光盘的相对角度为φ₀。

同步曝光误差为阿基米德螺旋线扫过探测器的最大距离偏差与滤光盘最大推扫距离之比。

最大推扫距离为滤光盘上滤光片透光部分对应滤光盘圆面的圆弧长。

最大距离偏差是滤光盘扫过探测器最后一行时，阿基米德螺旋线与探测器边缘相交时，阿基米德螺旋线与探测器边缘之间的最大距离。

进一步地，选取探测器A角在滤光盘上的位置对应的夹角φ的范围，在60°到180°之间。

有益效果：

1、本发明采用阿基米德螺旋线形的滤光盘，配合逐行读出方式的探测器使用，滤光盘以匀角速度转动并对探测器进行推扫时，由于阿基米德螺旋线为“等速螺线”，探测器在极径方向上与滤光盘上阿基米德螺旋线的相对位置的改变也为匀速，因此采用该滤光盘通过一定的参数设计可实现对探测器的匀速推扫，从而为提高滤光时间效能提供了可行性；

2、为了能够适应不同的分光波段需求，本发明提供了一种阿基米德螺旋线形滤光盘的设计方法，该方法设计的滤光盘，其阿基米德螺旋线线形能够满足滤光盘分光波段的需求，同时也考虑到探测器的参数配置，因此该线形能够确保滤光盘完整地推扫整个探测器；同时考虑到最小半径原则以及安全系数原则设计出的滤光盘半径，使该滤光盘在保证有效结构的同时保证了稳定性；

3、本发明所提供的阿基米德螺旋线形滤光装置的设计方法，能够实现阿基米德螺旋线率光盘逐行推扫探测器，使探测器的同一行的像元近似同步曝光，将滤光与探测器像元信号的读出联动起来，读取上一行信号的同时对当前行进行滤光，大大提高了工作效率，改善滤光片轮装置存在的工作效率低下的不足。

附图说明

图1为现有的滤光片轮示意图；

图2为阿基米德螺旋线形滤光盘的三维示意图；

图3为滤光盘与探测器的示意图；

图4为推扫过程示意图；

图5为阿基米德螺旋线形滤光盘的设计流程图；

图6为不同χ值的阿基米德螺旋线形状示意图；

图7为比例系数分别取14和21时加速度a_y随θ的变化趋势；

图8为比例系数χ分别取14和21时曲率K随极角θ的变化趋势；

图9为比例系数χ分别取14和21时速度V_y随极角θ的变化趋势；

图10为最大距离偏差示意图；

图11为同步曝光误差随极角变化的曲线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点表述的更加清楚明白，以下结合具体实例，对本发明的具体实施方式做详细说明。

实施例一

本发明为了解决滤光片轮滤光时间效能较低的问题，首先提出了一种基于阿基米德螺旋线形滤光盘的滤光装置，该滤光装置包括阿基米德螺旋线形滤光盘和探测器；

如图2所示，该阿基米德螺旋线形滤光盘为圆盘形结构，滤光盘上以滤光盘圆心为起点划出n＇条阿基米德螺旋线，n＇条阿基米德螺旋线将滤光盘划分出n＇个滤光区域，每个滤光区域安装一个滤光片；n＇为滤光盘的分光波段数；n＇条阿基米德螺旋线线形相同；探测器采用逐行读出方式的探测器，探测器与滤光盘的相关位置关系见图3。

采用匀速转动的滤光盘驱动电机，驱动滤光盘以匀角速度转动，滤光盘转动过程中即可实现对探测器的推扫，如图4(a)、(b)、(c)、(d)为滤光盘的转动过程，图4示出了在滤光盘转动过程中，其滤光区域在探测器上的覆盖范围；由图4可以看出，在滤光盘以匀角速度转动时，探测器对于阿基米德螺旋线的相对位置对应的极径也在变化，经计算可知阿基米德螺旋线中角度的变化量与极径的变化量的比值为一定值，该定值与阿基米德螺旋线的线形有关，由此可知可通过设计滤光盘上阿基米德螺旋线的线形，并根据探测器的读出时间设计相匹配的滤光盘推扫角速度，从而实现滤光盘对探测器逐行进行推扫，探测器同一行的像元近似同步曝光，在进行当前行滤光的同时对上一行信号进行处理。

由以上过程可以看出，由于在滤光盘对探测器推扫的过程中，使用匀角速度，无需“时停时转”，大大提高了工作效率。

实施例二

为使本发明的阿基米德螺旋线形滤光盘达到最好的推扫效果，本实施例提出了阿基米德螺旋线形滤光盘设计方法。首先根据探测器尺寸和分光波段数确定阿基米德螺旋线的形状，其次依据滤光盘的有效滤光区半径确定滤光盘的最小半径，制作出具有最好推扫性能的滤光盘。

本实施例是设计一个带有四片滤光片的阿基米德螺旋线形滤光盘，并使用该阿基米德螺旋线形滤光盘和某型铂硅红外探测器组成阿基米德螺旋线形滤光装置，滤光片的波段范围和透过率根据实际应用要求加工。

本实施例使用的铂硅红外探测器的主要参数有：像元间距30μm，像元规模512×512。假设探测器的光敏面为矩形ABCD。

本实施例中滤光盘的设计需求：四个分光波段，每个波段的曝光时间相同。

根据以上探测器的参数和滤光盘的设计需求，阿基米德螺旋线形推扫滤光盘的设计流程图如图5所示。

步骤一，以o为原点，作x轴、y轴，建立滤光盘的直角坐标系，以o点作为滤光盘的圆心，则滤光盘上阿基米德螺旋线的极坐标表达式为：

r＝χθ    （1）

式（1）中，r是极径，θ是极角，χ是比例系数。

图6是不同χ值的阿基米德螺旋线形状示意图，由图6可知：χ的取值决定阿基米德螺旋线的形状。

则当滤光盘以角速度ω旋转时，滤光盘上的阿基米德螺旋线的旋转方程为

r+Δr＝χ(θ+Δθ)    （2）

式中，Δθ指滤光盘的推扫角度，Δr指滤光盘推扫角度为Δθ时极径的变化量、记为极径变化量。

由式（1）、（2）可推导出： $\mathrm{\&chi;}=\frac{\mathrm{\&Delta;r}}{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}---\left(3\right)$

分析式（3）可知：χ的取值越大，在滤光盘推扫角度一定时，极径变化量越小，即阿基米德螺旋线线形变化越缓慢，滤光盘的推扫面积就越大。所以为了确保滤光盘能够完整地推扫整个探测器，χ的取值应当以不小于为佳，即：

$\mathrm{\&chi;}\&GreaterEqual;\frac{\mathrm{\&Delta;r}}{\mathrm{\&Delta;\&theta;}}---\left(4\right)$

在实际应用中，Δθ由滤光盘所放置的滤光片的数目确定，假设滤光片数为n＇，则 $\mathrm{\&Delta;\&theta;}=\frac{2\mathrm{\&pi;}}{n^{\&prime;}}.$

滤光盘在扫过探测器光敏面时极径最大变化量Δr应不小于探测器光敏面对角线长度AC，若探测器光敏面阵列规模为m×n，像间距为p，则可知

我们取Δr＝AC，并取式（4）中的等号成立，可得：

$\mathrm{\&chi;}=\frac{n^{\&prime;}p\sqrt{m^2+n^2}}{2\mathrm{\&pi;}}---\left(5\right)$

由以上推导可知，符合式（5）的χ所确定的阿基米德螺旋线能够完成对探测器的完全推扫。

将本实例中铂硅红外探测器的相关参数带入式（5），计算推扫该探测器的阿基米德螺旋线的形状系数χ得：

$\mathrm{\&chi;}=\frac{4\&times;30\sqrt{{512}^2\&times;{512}^2}}{2\mathrm{\&pi;}}\&ap;14(\mathrm{mm}/\mathrm{rad})$

根据χ所决定的线形，以及滤光盘的分光波段数n＇，划分出n＇滤光片每片所在区域；

步骤二，确定滤光盘有效滤光区半径，从而确定滤光盘与探测器相对位置的起始边界值：

1、根据“最小极径原则”计算滤光盘有效滤光区的最小半径。

①计算滤光盘中阿基米德螺旋线的最小极径r_min：建立滤光盘上的阿基米德螺旋线的直角坐标系，由式（1）可得到阿基米德螺旋线在直角坐标系下的方程：

x＝χθcosθ    （6）

y＝χθsinθ    （7）

将式（7）两边同时对时间t求导，得：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dt}}=\mathrm{\&chi;}(\sin \mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&theta;})\frac{\mathrm{d\&theta;}}{\mathrm{dt}}---\left(8\right)$

式（8）中，

是滤光盘推扫时阿基米德螺旋线y轴位移对时间的导数即径向速度V_y，单位为mm/s；是旋转角度对时间的导数即角速度ω，单位为rad/s，在滤光盘对探测器的推扫的过程中，角速度ω是固定的；

对式（8）两边再对时间t求导，得：

$\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dt}}^2}=\mathrm{\&chi;\&omega;}(2\cos \mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;})\frac{\mathrm{d\&theta;}}{\mathrm{dt}}---\left(9\right)$

式（9）中，

是滤光盘径向加速度a_y(mm/s²)：

a_y＝χω²(2cosθ-θsinθ)    （10）

图7为比例系数χ分别取14和21时加速度a_y随极角θ的变化趋势。

由图7看出，M＇点的加速度值为零，则根据数学中最值的知识可知M＇点推扫速度最大。

利用MatLab求得a_y＝0(mm/s²)时θ的数值解近似为θ=60°。

分析式（13）可以得出：不管χ取何值，θ=60°时加速度均为零。

因此，定义θ=60°或者

即径向速度最大的点对应的阿基米德螺旋线极径为最小极径r_min。

对于本实施例，最小极径 $r_{\min }=\mathrm{\&chi;\&theta;}=14\&times;\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}\&ap;15\mathrm{mm}$

②最小极径原则是指将最小极径与探测器光敏面对角线之和作为滤光盘有效滤光区的最小半径。

本实例中，滤光盘有效滤光区的最小半径为：R₁＝r_min+AC＝37mm。

2、根据“安全系数原则”计算滤光盘有效滤光区的安全半径。

安全系数是反映结构安全程度的系数，我们从机械性能和结构安全考虑，选择1.8倍的安全系数。因此安全系数原则是指将探测器光敏面对角线长度的1.8倍作为有效滤光区的安全半径。

本实例中，根据铂硅探测器其光敏面的像元间距p和像元规模m×n，求得探测器光敏面的对角线长度根据安全系数原则，选择1.8倍安全系数求得的滤光盘有效滤光区安全半径为：R₂＝1.8×AC＝1.8×22＝39.6mm。

3、比较“安全系数原则”和“最小极径原则”计算的滤光盘有效滤光区半径，选取二者中的大值，以上根据“安全系数原则”和“最小极径原则”计算的滤光盘有效滤光区半径分别为39.6mm和37mm，取大值39.6mm作为本实例推扫滤光盘的有效滤光区半径R₀。

所选的滤光盘有效滤光区半径加上支撑结构和同步信号孔大小后作为最终的滤光盘半径R。

根据以上步骤所设计的阿基米德螺旋线滤光盘，其阿基米德螺旋线线形能够满足滤光盘分光波段的需求，同时也考虑到探测器的参数配置，因此该线形能够确保滤光盘完整地推扫整个探测器；同时考虑到最小半径原则以及安全系数原则设计出的滤光盘半径，使该滤光盘在保证有效结构的同时保证了稳定性。

实施例三

本实施例设计一种能够取得良好的推扫性能的阿基米德螺旋线形滤光装置，在以上两个实施例的基础上，首先分析可获得较好推扫性能的滤光盘与探测器之间的相对位置；提出滤光盘同步曝光误差的概念，并根据同步曝光误差最小原则确定探测器放置的具体坐标。

本实施例中设计步骤如下：

步骤⑴：由以上步骤一、步骤二设计出阿基米德螺旋线形滤光盘，阿基米德螺旋线形滤光装置包括该滤光盘和与之搭配使用的探测器，本实施例中探测器为逐行读出方式的探测器；

步骤⑵，为能够取得对探测器较好的推扫性能，需要确定探测器相对于滤光盘的位置，首先将探测器置于滤光盘盘面上的第一、二象限内，探测器光敏面的矩形ABCD面A点置于滤光盘面的边缘，A点连接的两边分别平行于x轴、y轴；

步骤⑶、以x轴方向作为0°，探测器光敏面上A点在滤光盘上的映射位置对应的极径与x轴的夹角为φ，为确定精确的φ值，通过以下步骤进行设计：

①、初步确定滤光盘与探测器之间的相对位置：以该滤光盘的阿基米德螺旋线曲率和推扫速度作为滤光盘推扫性能参数；

首先计算滤光盘上阿基米德螺旋线的曲率：式（6）两边对极角θ求导得：

$\frac{\mathrm{dx}}{\mathrm{d\&theta;}}=\mathrm{\&chi;}(\cos \mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;})---\left(11\right)$

式（7）两边对极角θ求导得：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{d\&theta;}}=\mathrm{\&chi;}(\sin \mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&theta;})---\left(12\right)$

由式（11）、（12）求y对x的一阶导数得：

$\frac{\mathrm{dy}}{\mathrm{dx}}=\frac{\cos \mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;}}{\sin \mathrm{\&theta;}+\mathrm{\&theta;}\cos \mathrm{\&theta;}}---\left(13\right)$

再求二阶导数得： $\frac{d^{2}y}{{\mathrm{dx}}^2}=\frac{2+{\mathrm{\&theta;}}^2}{\mathrm{\&chi;}{(\cos \mathrm{\&theta;}-\mathrm{\&theta;}\sin \mathrm{\&theta;})}^3}---\left(14\right)$

式（11）、（12）代入曲率公式

得到阿基米德曲线的曲率公式：

$K=\frac{\left({2+\mathrm{\&theta;}}^2\right)}{\mathrm{\&chi;}{(1+\mathrm{\&theta;})}^{\frac{3}{2}}}---\left(15\right)$

图8为比例系数χ分别取14和21时曲率K随极角θ的变化趋势。

考虑到推扫滤光盘的实际情况，阿基米德螺旋线的极角θ不能超过180°，因此只考虑0°<θ<180°的情况，从图8中我们看出，在极角较大的区间内曲率K的变化较平缓，例如图8中的第二象限。

其次，计算滤光盘上阿基米德螺旋线的推扫速度：由式（8）的阿基米德螺旋线的径向速度。

V_y＝χ(sinθ+θcosθ)ω    （16）

图9为比例系数χ分别取14和21时径向速度V_y随极角θ的变化趋势。为保证探测器的同一行内探测元的能够达到同步曝光，要求滤光盘推扫速度的变化比较平缓。

分析图9可知，在0°<φ<180°范围内，M点到N点的径向速度V_y随极角θ的变化可近似看作线性。

以上对径向速度的分析，结合对阿基米德螺旋线曲率的分析，初步确定能取得较好的推扫性能的探测器位置在推扫滤光盘的60°到180°之间。

②，根据同步曝光误差最小原则具体确定最佳的探测器放置位置。

同步曝光误差为最大距离偏差和最大推扫距离的比值。

以阿基米德螺旋线扫过探测器的最大距离偏差与滤光盘最大推扫距离之比来衡量滤光盘的同步曝光误差。为计算方便，用滤光盘上滤光片透光部分圆的周长近似表示最大推扫距离,如图3中弧EF，当确定了滤光盘所放置的滤光片的数目n＇，即可确定最大推扫距离为

最大距离偏差是滤光盘扫过探测器最后一行时，即图10中阿基米德螺旋线与C、D两点相交时阿基米德螺旋线与线段CD之间的最大距离（其中χ取19mm/rad，探测器ABCD放置位置如图3所示）。

本实施例中，我们分别计算铂硅探测器放置在60°<φ<180°区间不同位置时的同步曝光误差，表1是推扫滤光盘不同极角对应的同步曝光误差。

表1

同步曝光误差随极角θ变化的曲线见图11，从中看出，最小的同步曝光误差为2.36%，其对应的极角为120度，所以，探测器应放置在相对滤光盘的120度的位置,依据本发明的设计方法设计的一种阿基米德螺旋线形滤光装置能够取得最好的对探测器的推扫性能。

由以上方法所确定的探测器相对于滤光盘的最佳位置，在滤光过程中，曝光误差最小，因此能够使滤光盘匀速、平稳、完整地扫过探测器，逐行滤光的同时逐行读出信号，提高多波段滤光的效率。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种阿基米德螺旋线形滤光盘，其特征在于，滤光盘为圆盘形结构，滤光盘上以滤光盘圆心为起点划出n＇条阿基米德螺旋线，n＇条阿基米德螺旋线将滤光盘划分出n＇个滤光区域，每个滤光区域安装一个滤光片；n＇为阿基米德螺旋线形滤光盘的分光波段数；

所述的n＇条阿基米德螺旋线线形相同。

2.一种阿基米德螺旋线形滤光装置，其特征在于，包括阿基米德螺旋线形滤光盘和探测器；探测器置于滤光盘的滤光区域；

所述阿基米德螺旋线形滤光盘为圆盘形结构，滤光盘上以滤光盘圆心为起点划出n＇条阿基米德螺旋线，n＇条阿基米德螺旋线将滤光盘划分出n＇个滤光区域，每个滤光区域安装一个滤光片；n＇为阿基米德螺旋线形滤光盘的分光波段数；

所述的探测器为逐行读出方式的探测器。

3.一种阿基米德螺旋线形滤光盘设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

假设滤光盘分n＇个分光波段，每个波段的曝光时间相同；

步骤一，以o为原点，作x轴、y轴，建立滤光盘的直角坐标系，以o点作为滤光盘的圆心，则滤光盘上阿基米德螺旋线的极坐标表达式为：

r＝χθ

式（1）中，r是极径，θ是极角，χ是比例系数；

取：

$\mathrm{\&chi;}=\frac{n^{\&prime;}p\sqrt{m^2+n^2}}{2\mathrm{\&pi;}}$

式中，与滤光盘搭配使用的探测器的像元间距为p，像元规模为m×n；根据χ所决定的线形，以及滤光盘的分光波段数n＇，划分出n＇片滤光片每片所在区域；

步骤二，确定滤光盘有效滤光区半径R₀，计算滤光盘有效滤光区的最小半径，令滤光盘中阿基米德螺旋线的最小极径为r_min：

$r_{\min }=\mathrm{\&chi;}{\mathrm{\&theta;}}_0,{\mathrm{\&theta;}}_0=\frac{\mathrm{\&pi;}}{3}$

滤光盘有效滤光区的最小半径R₁为：R₁＝r_min+AC；选择滤光盘有效滤光区半径R₀≥R₁；与滤光盘搭配使用的探测器为矩形ABCD，所述AC为矩形ABCD的对角线长度；

所述的滤光盘有效滤光区半径R₀加上支撑结构和同步信号孔大小后作为最终的滤光盘半径R。

4.如权利要求3所述的阿基米德螺旋线形滤光盘设计方法，其特征在于，步骤二中确定滤光盘有效滤光区半径R₀时：

计算滤光盘有效滤光区的安全半径R₂：选择1.8倍的安全系数，将探测器对角线长度的1.8倍作为有效滤光区的安全半径R₂；

选择R₁和R₂之间较大值作为滤光盘有效滤光区半径R₀。

5.一种阿基米德螺旋线形滤光装置设计方法，其特征在于，所述滤光装置包括阿基米德螺旋线形滤光盘和探测器；所述的探测器为逐行读出方式的探测器；其设计步骤为：

步骤⑴、依据如权利要求3所述的设计方法设计阿基米德螺旋线形推扫滤光盘；

步骤⑵、探测器置于滤光盘盘面的第一、二象限内，假设探测器为光敏面为矩形ABCD，光敏面的A点置于滤光盘面的边缘，A点连接的两边分别平行于x轴、y轴；

步骤⑶、以x轴方向作为0°，探测器光敏面的A点在滤光盘上的映射位置对应的极径与x轴的夹角为φ，在0°<φ<180°的范围内，计算φ取不同角度值时的同步曝光误差，φ=φ₀时同步曝光误差最小，则探测器光敏面的A角位于滤光盘的相对角度为φ₀；

所述的同步曝光误差为阿基米德螺旋线扫过探测器的最大距离偏差与滤光盘最大推扫距离之比；

所述的最大推扫距离为滤光盘上滤光片透光部分对应滤光盘圆面的圆弧长；

所述的最大距离偏差是滤光盘扫过探测器最后一行时，阿基米德螺旋线与探测器边缘相交时，阿基米德螺旋线与探测器边缘之间的最大距离。

6.如权利要求3所述的一种阿基米德螺旋线形推扫滤光装置的设计方法，其特征在于，所述的步骤（2）中，选取探测器A角在滤光盘上的位置对应的夹角φ的范围，在60°到180°之间。

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