CN103308161B - 航天遥感大相对孔径宽视场高分辨率成像光谱仪光学系统 - Google Patents

Abstract

航天遥感大相对孔径宽视场高分辨率成像光谱仪光学系统，属于航天遥感光学领域，解决了现有光学系统相对孔径小、集光能力弱、视场覆盖范围小的问题，该系统中的折叠Schmidt望远镜包括双胶合校正板、平面折转镜、球面反射镜和双胶合场镜；Dyson光谱仪包括入射狭缝、双胶合Dyson透镜、非球面校正透镜、凹面衍射光栅和探测器像面；目标光束依次经双胶合校正板、平面折转镜、球面反射镜和双胶合场镜成像在入射狭缝上，成像光束再依次经双胶合Dyson透镜、非球面校正透镜和凹面衍射光栅衍射后再经非球面校正透镜和双胶合Dyson透镜成像在探测器像面上。本发明集光能力强，分辨率高，相对孔径1/1.2，视场覆盖宽度4°。

Description

航天遥感大相对孔径宽视场高分辨率成像光谱仪光学系统

技术领域

本发明涉及航天遥感光学技术领域，具体涉及一种航天遥感大相对孔径宽视场高分辨率成像光谱仪光学系统。

背景技术

高分辨率成像光谱仪是一种新型航天遥感光学仪器，能以高分辨率同时获取目标的空间和光谱信息，在国民经济和科学研究等诸多领域正在得到越来越广泛的应用。目前国际上具有代表性的航天遥感高分辨率成像光谱仪有美国TRW公司研制的Hyperion，相对孔径1/4，视场0.624°；美国NEMO卫星的主载荷COIS，相对孔径1/4，视场2.5°；英国Sira公司研制的CHRIS，相对孔径1/4，视场0.553°，这些高分辨率成像光谱仪载荷在航天遥感中发挥了重要作用，但缺点是相对孔径小、集光能量弱，视场覆盖宽度小，在海洋水色遥感等领域，由于目标的反射率很低，在保证光学系统光谱分辨率10nm、地面像元分辨率20m、信噪比大于200的条件下，要求成像光谱仪的相对孔径大于1/1.3，除要求大相对孔径外，还要求具有宽视场覆盖，视场覆盖宽度越大，对应的刈幅宽度就越大，回访周期就越短，仪器的时间分布率就越高。现有的航天遥感高分辨率成像光谱仪光学系统的集光能力和视场均不能满足海洋水色遥感等领域的需求。因此迫切需要解决现有航天遥感高分辨率成像光谱仪光学系统相对孔径小、集光能力弱、视场覆盖范围小的问题。

发明内容

为了解决现有航天遥感高分辨率成像光谱仪光学系统相对孔径小、集光能力弱、视场覆盖范围小的问题，本发明提供一种航天遥感大相对孔径宽视场高分辨率成像光谱仪光学系统。

本发明为解决技术所采用的技术方案如下：

航天遥感大相对孔径宽视场高分辨率成像光谱仪光学系统，包括折叠Schmidt望远镜和Dyson光谱仪；所述折叠Schmidt望远镜包括：双胶合校正板，反射面与所述双胶合校正板出射面相对排列的平面折转镜，反射面与所述平面折转镜反射面相对排列的球面反射镜，入射面与球面反射镜反射面相对排列的双胶合场镜；

所述Dyson光谱仪包括：位于所述折叠Schmidt望远镜的焦面上并与所述双胶合场镜出射面相对排列的入射狭缝，第一工作面与所述入射狭缝相对排列的双胶合Dyson透镜，位于所述入射狭缝与第一工作面之间并与所述第一工作面相对排列的探测器像面，与所述双胶合Dyson透镜的第三工作面相对排列的非球面校正透镜，衍射面与所述非球面校正透镜相对排列的凹面衍射光栅，所述球面反射镜、双胶合场镜、入射狭缝、双胶合Dyson透镜，非球面校正透镜和凹面衍射光栅同光轴设置；

宽视场目标光束依次经过双胶合校正板、平面折转镜、球面反射镜和双胶合场镜成像在入射狭缝上，成像光束再依次经过双胶合Dyson透镜、非球面校正透镜和凹面衍射光栅衍射后，再经过非球面校正透镜和双胶合Dyson透镜成像在探测器像面上。

所述折叠Schmidt望远镜的相对孔径D/f满足：1/1.3≤D/f≤1/1.2，视场FOV满足：2°≤FOV≤4°；所述Dyson光谱仪的变倍比β满足：0.99≤β≤1.01。

所述双胶合校正板由两种不同材料的平板胶合而成，入射面为8次非球面，出射面为6次非球面，所述两种不同材料为BaK3和ZF6，或者为S-FPL53和FSilica。

所述平面折转镜反射面中心与球面反射镜反射面中心的距离为d₁，所述球面反射镜反射面中心与双胶合场镜入射面中心的距离为d₂，d₁与d₂满足：0.8d₂≤d₁≤0.9d₂。

所述双胶合场镜由两种不同材料的正负透镜胶合而成，正透镜表面为入射面，负透镜表面为出射面，所述两种不同材料为BaK3和ZF6，或者为S-FPL53和FSilica，所述双胶合场镜出射面中心与入射狭缝中心的距离为d₃，1mm≤d₃≤3mm。

所述入射狭缝的长度l₁满足：15mm≤l₁≤30mm，宽度w₁满足：8μm≤w₁≤20μm。

所述双胶合Dyson透镜由两种不同材料的近半球透镜胶合而成，所述两种不同材料为BaK3和ZF6，或者为S-FPL53和F Silica，第一工作面为平面，曲率半径为R₁，第二工作面为球面胶合面，曲率半径为R₂，第三工作面为球面，第一工作面中心与第二工作面中心的距离为d₅，R₁与d₅满足：1.1d₅≤R₁≤1.3d₅，第一工作面中心与第三工作面中心的距离为d₆，R₂与d₆满足：1.0d₆≤R₂≤1.1d₆。

所述入射狭缝中心与双胶合Dyson透镜的第一工作面中心的距离为d₄，3mm≤d₄≤8mm，所述探测器像面中心与双胶合Dyson透镜的第一工作面中心的距离为d₈，1mm≤d₈≤7mm。

所述凹面衍射光栅的衍射面为球面，凹面衍射光栅的曲率半径为R₃，所述入射狭缝中心与凹面衍射光栅衍射面中心的距离为d₇，R₃与d₇满足：0.97d₇≤R₃≤1.1d₇。

所述非球面校正透镜上靠近凹面衍射光栅的面为8次非球面，远离凹面衍射光栅的面为球面。

本发明的有益效果是：本发明的航天遥感大相对孔径宽视场高分辨率成像光谱仪光学系统可实现对弱信号目标进行宽视场高分辨率成像光谱探测，采用折叠Schmidt望远镜与Dyson光谱仪组合的光学结构，折叠Schmidt望远镜的孔径光阑设置在球面反射镜上，与孔径光阑位于校正板上的传统Schmidt望远镜相比，更接近像方远心，折叠Schmidt望远镜可以获得比Ritchie-Cretien望远镜（R-C）和离轴三反望远镜（TMC）更大的相对孔径，使本发明的光学系统具有大的相对孔径，相对孔径达到1/1.2，视场覆盖宽度达到4°，成像点弥散斑的尺寸小于10μm，波段范围可覆盖可见～近红外及短波红外～长波红外，增大了视场覆盖宽度，同时本发明的光学系统集光能量强、分辨率高、结构十分紧凑，传统Dyson光谱仪的入射狭缝和探测器像面均位于单块Dyson透镜的平面上，入射狭缝和探测器像面的放置都十分困难，因此限制了传统Dyson光谱仪的实用化，本发明对传统Dyson光谱仪进行了改进，单块Dyson透镜复杂化成双胶合Dyson透镜以获得更好的色差校正，把入射狭缝和探测器像面与Dyson双胶合透镜的第一工作面之间离开一定的空气间隙，便于入射狭缝和探测器像面的放置，利用非球面校正透镜来校正此空气间隙产生的附加球差。

本发明的光学系统主要应用于航天海洋水色遥感、大气遥感、陆地观测等技术领域，特别是航天高光谱遥感领域。

附图说明

图1为本发明的航天遥感大相对孔径宽视场高分辨率成像光谱仪光学系统在yz平面内的结构示意图；

图2为图1中的光学系统在xz平面内的结构示意图；

图3为双胶合Dyson透镜的结构示意图；

图4为将本发明的光学系统应用于航天海洋水色遥感进行推扫成像所获得的不同波长和视场下的成像点弥散斑的示意图；

图5为对图2中的双胶合场镜、入射狭缝、双胶合Dyson透镜和探测器像面之间位置关系的局部放大图。

图中，1、双胶合校正板，2、平面折转镜，3、球面反射镜，4、双胶合场镜，5、入射狭缝，6、双胶合Dyson透镜，61、第一工作面，62、第二工作面，63、第三工作面，7、非球面校正透镜，8、凹面衍射光栅，9、探测器像面。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。

具体实施方式一、如图1和图2所示，本发明的光学系统中各组成部分按照xyz右手空间坐标系有序排列，z轴方向定为光轴方向，x轴垂直于yz平面，该系统主要由折叠Schmidt望远镜和Dyson光谱仪组成；折叠Schmidt望远镜主要由双胶合校正板1，平面折转镜2，球面反射镜3和双胶合场镜4组成，双胶合校正板1由两种不同材料（如BaK3和ZF6，S-FPL53和FSilica）的平板胶合而成，入射面为8次非球面，出射面为6次非球面，双胶合校正板1的出射面与平面折转镜2的反射面相对排列，平面折转镜2的反射面与球面反射镜3的反射面相对排列，平面折转镜2反射面中心与球面反射镜3反射面中心的距离为d₁，双胶合场镜4由两种不同材料（如BaK3和ZF6，S-FPL53和FSilica）的正负透镜胶合而成，正透镜在前，负透镜在后，球面反射镜3的反射面与双胶合场镜4的正透镜相对排列，球面反射镜3反射面中心与双胶合场镜4入射面中心（即正透镜的入射面）的距离为d₂，d₁与d₂满足：0.8d₂≤d₁≤0.9d₂，折叠Schmidt望远镜的孔径光阑位于球面反射镜3上。

Dyson光谱仪主要由入射狭缝5，双胶合Dyson透镜6，非球面校正透镜7，凹面衍射光栅8和探测器像面9组成，球面反射镜3、双胶合场镜4、入射狭缝5、双胶合Dyson透镜6，非球面校正透镜7和凹面衍射光栅8位于同一光轴上，如图5所示，双胶合场镜4的负透镜与入射狭缝5相对排列，双胶合场镜4出射面中心（即负透镜的出射面）与入射狭缝5中心的距离为d₃，d₃满足：1mm≤d₃≤3mm，入射狭缝5位于xz平面内的折叠Schmidt望远镜的焦面上，入射狭缝5的长度l₁满足：15mm≤l₁≤30mm，入射狭缝5的宽度w₁满足：8μm≤w₁≤20μm，如图2所示，入射狭缝5的长度方向平行于x轴，入射狭缝5的宽度方向平行于y轴，如图3所示，双胶合Dyson透镜6由两种不同材料（如BaK3和ZF6，S-FPL53和FSilica）的近半球透镜胶合而成，第一工作面61为平面，第二工作面62为球面胶合面，第三工作面63为球面，第一工作面61的曲率半径为R₁，第一工作面61中心与第二工作面62中心的距离为d₅，R₁与d₅满足：1.1d₅≤R₁≤1.3d₅，第二工作面62的曲率半径为R₂，第一工作面61中心与第三工作面63中心的距离为d₆，R₂与d₆满足：1.0d₆≤R₂≤1.1d₆，如图5所示，入射狭缝5与双胶合Dyson透镜6的第一工作面61相对排列，入射狭缝5中心与双胶合Dyson透镜6的第一工作面61中心的距离为d₄，d₄满足：3mm≤d₄≤8mm，双胶合Dyson透镜6的第三工作面63与非球面校正透镜7相对排列，非球面校正透镜7与凹面衍射光栅8的衍射面相对排列，非球面校正透镜7上靠近凹面衍射光栅8的面为8次非球面，远离凹面衍射光栅8的面为球面，凹面衍射光栅8的衍射面为球面，如图1和图2所示，凹面衍射光栅8的刻线方向垂直于yz平面，凹面衍射光栅8的曲率半径为R₃，入射狭缝5中心与凹面衍射光栅8衍射面中心的距离为d₇，R₃与d₇满足：0.97d₇≤R₃≤1.1d₇，如图5所示，探测器像面9与双胶合Dyson透镜6的第一工作面61相对排列，探测器像面9与双胶合Dyson透镜6并不在同一光轴上，探测器像面9中心与双胶合Dyson透镜6第一工作面61中心的距离为d₈，d₈满足：1mm≤d₈≤7mm。

本实施方式中，折叠Schmidt望远镜的相对孔径D/f满足：1/1.3≤D/f≤1/1.2，视场FOV满足：2°≤FOV≤4°；Dyson光谱仪的变倍比β满足：0.99≤β≤1.01。

本实施方式中，宽视场目标光束依次经过双胶合校正板1透射、平面折转镜2反射、球面反射镜3反射和双胶合场镜4透射成像在入射狭缝5上，成像光束再依次经过双胶合Dyson透镜6透射、非球面校正透镜7透射和凹面衍射光栅8衍射后，再经过非球面校正透镜7透射和双胶合Dyson透镜6透射后成像在探测器像面9上。

具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的航天遥感大相对孔径宽视场高分辨率成像光谱仪光学系统的应用，将具体实施方式一所述的光学系统应用于航天海洋水色遥感，推扫成像。

本实施方式中，双胶合校正板1、双胶合场镜4和双胶合Dyson透镜6均采用S-FPL53和熔石英（F Silica）胶合而成；球面反射镜3的曲率半径为604.164mm；凹面衍射光栅8的曲率半径R₃为200mm，刻线密度为80g/mm；平面折转镜2反射面中心到球面反射镜3反射面中心的距离为d₁为260mm；球面反射镜3反射面中心到双胶合场镜4入射面中心的距离d₂为289.348mm；双胶合场镜4出射面到入射狭缝5中心的距离d₃为1.723；入射狭缝5中心与双胶合Dyson透镜6的第一工作面61中心的距离d₄为4.18mm；入射狭缝5的长l₁为20mm，宽w₁为10μm；双胶合Dyson透镜6的第一工作面61的曲率半径R₁为18.547mm，第一工作面61中心到第二工作面62中心的距离d₅为16.521mm，第二工作面62的曲率半径R₂为55.395mm，第一工作面61中心到第三工作面63中心的距离d₆为53.924mm；入射狭缝5中心到凹面衍射光栅8衍射面中心的距离为d₇为202.124mm；双胶合Dyson透镜6的第一工作面61中心到探测器像面9中心的距离d₈为2mm。

本实施方式中，航天遥感大相对孔径宽视场高分辨率成像光谱仪光学系统的相对孔径D/f为1/1.2，视场FOV为4°，工作波段为350nm～1050nm，焦距为300mm，Dyson光谱仪的变倍比β为1：1，飞行轨道高度H=300km，探测器像面9上采用面阵CCD探测器进行成像，面阵CCD探测器的像元尺寸为10μm×10μm，像元数为2048×2048，光谱采样间隔为5nm，地面像元分辨率为20m，刈幅宽度为40km。

本实施方式中，航天遥感大相对孔径宽视场高分辨率成像光谱仪光学系统的成像扫描结果如图4所示，在不同视场及不同波长的情况下，本发明的光学系统的成像点弥散斑尺寸均在10μm范围内，由此可知，本发明的航天遥感大相对孔径宽视场高分辨率成像光谱仪光学系统的相对孔径可达到1/1.2，视场覆盖宽度可达到4°，成像点弥散斑的尺寸小于10μm，波段范围可覆盖可见～近红外及短波红外～长波红外，具有集光能量强、分辨率高的特点，特别适合在航天高光谱遥感等领域应用。

Claims (9)

1.航天遥感大相对孔径宽视场高分辨率成像光谱仪光学系统，包括折叠Schmidt望远镜和Dyson光谱仪；其特征在于，所述折叠Schmidt望远镜包括：双胶合校正板(1)，反射面与所述双胶合校正板(1)出射面相对排列的平面折转镜(2)，反射面与所述平面折转镜(2)反射面相对排列的球面反射镜(3)，入射面与球面反射镜(3)反射面相对排列的双胶合场镜(4)；

所述Dyson光谱仪包括：位于所述折叠Schmidt望远镜的焦面上并与所述双胶合场镜(4)出射面相对排列的入射狭缝(5)，第一工作面(61)与所述入射狭缝(5)相对排列的双胶合Dyson透镜(6)，位于所述入射狭缝(5)与第一工作面(61)之间并与所述第一工作面(61)相对排列的探测器像面(9)，与所述双胶合Dyson透镜(6)的第三工作面(63)相对排列的非球面校正透镜(7)，衍射面与所述非球面校正透镜(7)相对排列的凹面衍射光栅(8)，所述球面反射镜(3)、双胶合场镜(4)、入射狭缝(5)、双胶合Dyson透镜(6)，非球面校正透镜(7)和凹面衍射光栅(8)同光轴设置；

所述双胶合Dyson透镜(6)由两种不同材料的近半球透镜胶合而成，所述两种不同材料为BaK3和ZF6，或者为S-FPL53和F Silica，第一工作面(61)为平面，曲率半径为R₁，第二工作面(62)为球面胶合面，曲率半径为R₂，第三工作面(63)为球面，第一工作面(61)中心与第二工作面(62)中心的距离为d₅，R₁与d₅满足：1.1d₅≤R₁≤1.3d₅，第一工作面(61)中心与第三工作面(63)中心的距离为d₆，R₂与d₆满足：1.0d₆≤R₂≤1.1d₆；

宽视场目标光束依次经过双胶合校正板(1)、平面折转镜(2)、球面反射镜(3)和双胶合场镜(4)成像在入射狭缝(5)上，成像光束再依次经过双胶合Dyson透镜(6)、非球面校正透镜(7)和凹面衍射光栅(8)衍射后，再经过非球面校正透镜(7)和双胶合Dyson透镜(6)成像在探测器像面(9)上。

2.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述折叠Schmidt望远镜的相对孔径D/f满足：1/1.3≤D/f≤1/1.2，视场FOV满足：2°≤FOV≤4°；所述Dyson光谱仪的变倍比β满足：0.99≤β≤1.01。

3.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述双胶合校正板(1)由两种不同材料的平板胶合而成，入射面为8次非球面，出射面为6次非球面，所述两种不同材料为BaK3和ZF6，或者为S-FPL53和F Silica。

4.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述平面折转镜(2)反射面中心与球面反射镜(3)反射面中心的距离为d₁，所述球面反射镜(3)反射面中心与双胶合场镜(4)入射面中心的距离为d₂，d₁与d₂满足：0.8d₂≤d₁≤0.9d₂。

5.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述双胶合场镜(4)由两种不同材料的正负透镜胶合而成，正透镜表面为入射面，负透镜表面为出射面，所述两种不同材料为BaK3和ZF6，或者为S-FPL53和F Silica，所述双胶合场镜(4)出射面中心与入射狭缝(5)中心的距离为d₃，1mm≤d₃≤3mm。

6.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述入射狭缝(5)的长度l₁满足：15mm≤l₁≤30mm，宽度w₁满足：8μm≤w₁≤20μm。

7.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述入射狭缝(5)中心与双胶合Dyson透镜(6)的第一工作面(61)中心的距离为d₄，3mm≤d₄≤8mm，所述探测器像面(9)中心与双胶合Dyson透镜(6)的第一工作面(61)中心的距离为d₈，1mm≤d₈≤7mm。

8.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述凹面衍射光栅(8)的衍射面为球面，凹面衍射光栅(8)的曲率半径为R₃，所述入射狭缝(5)中心与凹面衍射光栅(8)衍射面中心的距离为d₇，R₃与d₇满足：0.97d₇≤R₃≤1.1d₇。

9.根据权利要求1所述的光学系统，其特征在于，所述非球面校正透镜(7)上靠近凹面衍射光栅(8)的面为8次非球面，远离凹面衍射光栅(8)的面为球面。