CN103389159B - 棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统 - Google Patents
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Abstract
棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统,属于航天光学领域,解决了现有采用单一色散光谱成像系统的高分辨率与宽波段光谱无法同时实现探测,该系统从入射狭缝出射的宽波段光束依次经第一准直镜准直、色散棱镜预色散后由聚焦反射镜分波长聚焦至分色片上,分色片对短波长光束c透射,对长波长光束d反射,透射光束依次经平面折转镜和第一折转棱镜折叠、第二准直镜准直、第一平面光栅二次色散后由第一聚焦透镜组分波长成像在第一探测器焦平面;反射光束依次经第二折转棱镜折叠、第三准直镜准直、第二平面光栅二次色散后由第二聚焦透镜组分波长成像至第二探测器焦平面。本发明实现了宽波段与高光谱分辨率同时探测,提高了光谱分辨率。
Description
技术领域
本发明涉及航天光学技术领域,具体涉及一种棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统。
背景技术
航天遥感成像光谱仪是一种用于新型空间光学遥感仪器,在陆地和海洋观测中得到成功应用,受到科学家的青睐。航天遥感成像光谱仪光学系统由望远成像系统和光谱成像系统两部分组成,二者通过入射狭缝有机地连接在一起,望远成像系统的作用是把目标的一个条带成像在光谱成像系统的入射狭缝上,光谱成像系统把入射狭缝进行色散,分波长成像在探测器焦平面上,光谱成像系统是航天遥感成像光谱仪的核心,航天遥感成像光谱仪的光谱分辨率完全由光谱成像系统决定,航天遥感成像光谱仪的空间分辨率也与光谱成像系统密切相关,光谱成像系统的光学结构直接影响着整个航天遥感成像光谱仪的性能、体积和质量等。
目前,现有的光谱成像系统采用的是单一的棱镜色散(如英国Sira公司研制的CHRIS),或者是单一的光栅色散(如美国TRW公司研制的Hyperion),这两种结构的光谱成像系统的光谱分辨率都很低,仅为几纳米到几十纳米,只需要一个探测器就可以接收一个宽波段内的光谱,因此,上述采用单一色散的光谱成像系统仅适合对光谱分辨率要求不高的陆地和海洋观测应用,而航天大气成份(如NO2和SO2等)探测领域要求成像光谱仪的光谱分辨率≤0.5nm,波段为250~750nm,较高的光谱分辨率就要求光谱成像系统有较大的色散宽度,然而,受市售探测器的限制,一个探测器无法接收整个波段内的光谱,也就是说现有的采用单一色散的光谱成像系统无法实现高光谱分辨率与宽波段光谱同时探测的问题,因此迫切需要研制出一种能实现高光谱分辨率与宽波段光谱同时探测的问题。
发明内容
为了解决现有采用单一色散的光谱成像系统存在的高分辨率与宽波段光谱无法同时实现探测的问题,本发明提供一种棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统。
本发明为解决技术问题所采用的技术方案如下:
棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统,其特征在于,该光谱成像系统包括入射狭缝、第一准直镜、色散棱镜、聚焦反射镜、分色片、平面折转镜、第一折转棱镜、第二准直镜、第一平面光栅、第一聚焦透镜组,第一探测器焦平面、第二折转棱镜、第三准直镜、第二平面光栅、第二聚焦透镜组和第二探测器焦平面;
所述入射狭缝和色散棱镜的入射面a均位于第一准直镜的焦平面上,所述分色片同时位于聚焦反射镜的焦平面和第二准直镜的焦平面上;
从入射狭缝出射的宽波段光束依次经第一准直镜准直、色散棱镜预色散后由聚焦反射镜分波长聚焦至分色片上,分色片对短波长光束c进行透射形成透射光束,对长波长光束d进行反射形成反射光束,透射光束依次经平面折转镜折转、第一折转棱镜折转、第二准直镜准直、第一平面光栅二次色散后由第一聚焦透镜组分波长聚焦成像在第一探测器焦平面上;反射光束依次经第二折转棱镜折叠、第三准直镜准直、第二平面光栅二次色散后由第二聚焦透镜组分波长聚焦成像至第二探测器焦平面上。
所述色散棱镜的顶角α满足:33°≤α≤37°。
所述第一准直镜和聚焦反射镜均为离轴抛物面镜,第一准直镜的曲率半径R1与聚焦反射镜的曲率半径R2之间的关系满足:1.5R2≤R1≤1.7R2。
所述平面折转镜、第一折转棱镜、第二准直镜、第一平面光栅、第一聚焦透镜组和第一探测器焦平面组成通道一,通道一的波段范围为250~510nm;所述第二折转镜棱镜、第三准直镜、第二平面光栅、第二聚焦透镜和第二焦平面探测器组成通道二,通道二的波段范围为500~750nm。
所述第一折转棱镜的第一工作面e为透射面,第二工作面f为全反射面,第三工作面g为内反射面,第四工作面h为透射面,第二工作面e和第四工作面h位于同一平面上,第一折转棱镜的顶角β满足:25°≤β≤35°。
所述第二折转棱镜的第一工作面i为透射面,第二工作面j为内反射面,第三工作面k为全反射面,第四工作面l为透射面,第一工作面i和第三工作面k位于同一平面上,第二折转棱镜的顶角γ满足:20°≤γ≤30°。
所述第二准直镜和第三准直镜均为球面反射镜。
所述第一平面光栅和第二平面光栅均为闪耀光栅,第一平面光栅的闪耀波长为250~510nm;第二平面光栅的闪耀波长为500~750nm。
所述第一聚焦透镜组由2~6片球面透镜组成;所述第二聚焦透镜组由2~5片球面透镜组成。
所述短波长光束c入射到所述分色片的透射区域,所述长波长光束d入射到所述分色片的反射区域,所述分色片的中间区域为短波长光束c和长波长光束d的交叠区域。
本发明的有益效果是:本发明采用棱镜和光栅级联色散,分成两个通道来实现宽波段、高光谱分辨率成像光谱探测,棱镜和光栅级联色散相当于把一个棱镜色散光谱成像系统和一个光栅色散光谱成像系统串联起来,有效地抑制了光谱成像系统的杂散光,光谱成像系统的杂散光水平可以达到10-6量级;平面折转镜、第一折转棱镜和第二折转棱镜的主要作用是折转光路,减小光谱成像系统的体积;第一折转棱镜和第二折转棱镜中各包含一个全反射表面,可以在折转光路的同时减小光谱成像系统的能量损失;色散棱镜对光束进行预散射,再通过通道一中的第一平面光栅与通道二中第二平面光栅分别对光束进行二次散射,一方面,可以有效提高光谱成像系统的光谱分辨率,另一方面,在利用现有市售探测器的条件下,就可以解决高光谱分辨率与宽波段光谱同时探测的问题;孔径光阑位于色散棱镜的入射面上,形成物方远心光路,可以与不同结构形式的像方远心望远成像系统匹配,组成航天遥感成像光谱仪光学系统。
本发明的棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统满足航天大气成份探测等领域的应用需求,同时还适用于陆地和海洋观测等领域。
附图说明
图1为本发明的棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统的结构示意图;
图2为色散棱镜的结构示意图;
图3为分色片的结构示意图;
图4为第一折转棱镜的结构示意图;
图5为第二折转棱镜的结构示意图。
图中:1、入射狭缝,2、第一准直镜,3、色散棱镜,a、入射面,b、出射面,α、色散棱镜的顶角,4、聚焦反射镜,5、分色片,c、短波长光束,d、长波长光束,6、平面折转镜,7、第一折转棱镜,e、第一折转棱镜的第一工作面,f、第一折转棱镜的第二工作面,g、第一折转棱镜的第三工作面,h、第一折转棱镜的第四工作面,β、第一折转镜棱镜的顶角,8、第二准直镜,9、第一平面光栅,10、第一聚焦透镜组,11、第一探测器焦平面,12、第二折转棱镜,i、第二折转棱镜的第一工作面,j、第二折转棱镜的第二工作面,k、第二折转棱镜的第三工作面,l、第二折转棱镜的第四工作面,γ、第二折转镜棱镜的顶角,13、第三准直镜,14、第二平面光栅,15、第二聚焦透镜组,16、第二探测器焦平面。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
具体实施方式一、如图1所示,本发明的棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统,主要由入射狭缝1、第一准直镜2、色散棱镜3、聚焦反射镜4、分色片5、平面折转镜6、第一折转棱镜7、第二准直镜8、第一平面光栅9、第一聚焦透镜组10,第一探测器焦平面11、第二折转棱镜12、第三准直镜13、第二平面光栅14、第二聚焦透镜组15和第二探测器焦平面16组成。
如图2所示,本实施方式中的色散棱镜3包括入射面a、出射面b和顶角α,色散棱镜3的顶角α满足:33°≤α≤37°,本发明的棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统的孔径光阑位于色散棱镜3的入射面a上,形成物方远心光路,可以与不同结构形式的像方远心望远成像系统匹配,组成航天遥感成像光谱仪光学系统。
本实施方式中的入射狭缝1和色散棱镜3的入射面a均位于第一准直镜2的焦平面上。
本实施方式中的第一准直镜2和聚焦反射镜4均为离轴抛物面镜,第一准直镜2的曲率半径R1与聚焦反射镜4的曲率半径R2之间的关系满足:1.5R2≤R1≤1.7R2。
本实施方式中的分色片5同时位于聚焦反射镜4的焦平面和第二准直镜8的焦平面上。
本实施方式中,从入射狭缝1出射的宽波段光束先经第一准直镜2准直后再经色散棱镜3预色散,在一次像面处即分色片5处,由聚焦反射镜4分波长聚焦到分色片5上,如图3所示,不同波长的光在分色片5上的入射位置不同,短波长光束c入射到分色片5的上部区域即透射区域,长波长光束d入射到分色片5的下部区域即反射区域,中间为短波长光束c和长波长光束d的交叠区域,分色片5对短波长光束c进行透射形成透射光束,对长波长光束d进行反射形成反射光束,如图1所示,透射光束和反射光束经分色片5进入两个通道中,两个通道相当于把分色片5的整个工作波段分成两个波段,通道一对应分色片5的透射波段,通道二对应分色片5的反射波段,且透射波段的波长小于反射波段的波长,透射光束进入通道一,反射光束进入通道二。
本实施方式中的通道一由平面折转镜6、第一折转棱镜7、第二准直镜8、第一平面光栅9、第一聚焦透镜组10和第一探测器焦平面11组成,通道一的波段范围为250~510nm;通道二由第二折转镜棱镜12、第三准直镜13、第二平面光栅14、第二聚焦透镜15和第二焦平面探测器16组成,通道二的波段范围为500~750nm。
如图4所示,本实施方式中的第一折转棱镜7的第一工作面e为透射面,第二工作面f为全反射面,第三工作面g为内反射面,第四工作面h为透射面,第二工作面e和第四工作面h位于同一平面上,第一折转棱镜7的顶角β满足:25°≤β≤35°。
如图5所示,本实施方式中的第二折转棱镜12的第一工作面i为透射面,第二工作面j为内反射面,第三工作面k为全反射面,第四工作面l为透射面,第一工作面i和第三工作面k位于同一平面上,第二折转棱镜12的顶角γ满足:20°≤γ≤30°。
本实施方式中的第二准直镜8和第三准直镜13均为球面反射镜。
本实施方式中的第一平面光栅9和第二平面光栅14均为闪耀光栅,闪耀波长分别根据通道一和通道二的波段范围选择,第一平面光栅9的闪耀波长对应通道一的波段范围,为250~510nm;第二平面光栅14的闪耀波长对应通道二的波段范围,为500~750nm。
本实施方式中的第一聚焦透镜组10由若干片球面透镜组成,球面透镜的片数n1满足:2≤n1≤6,第一聚焦透镜组10的作用是将经过第一平面光栅9二次色散后的光束聚焦至第一探测器焦平面11上,第一聚焦透镜组10中的球面透镜的具体设置只需要满足上述第一聚焦透镜组10的聚焦作用即可。
本实施方式中的第二聚焦透镜组15由若干片球面透镜组成,球面透镜的片数n2满足:2≤n2≤5,第二聚焦透镜组15的作用是将通过第二平面光栅14二次色散后的光束聚焦至第二探测器焦平面16上,第二聚焦透镜组15中的球面透镜的具体设置只需要满足上述第二探测器焦平面16的聚焦作用即可。
本实施方式中的第一探测器焦平面11为线阵或者面阵中的一种,第二探测器焦平面16也为线阵或者面阵中的一种。
如图1所示,从入射狭缝1出射的宽波段光束经过第一准直镜2准直后入射至色散棱镜3,经过色散棱镜3的预色散后入射至聚焦反射镜4上,再由聚焦反射镜4分波长聚焦到分色片5上,分色片5对短波长光束c进行透射形成透射光束,对长波长光束d进行反射形成反射光束,透射光束和反射光束经分色片5进入两个通道中,透射光束进入通道一,反射光束进入通道二,通道一的透射光束经过平面折转镜6折转和第一折转棱镜7折转后入射至第二准直镜8上,经过第二准直镜8准直后入射至第一平面光栅9上,经过第一平面光栅9二次色散后再由第一聚焦透镜组10分波长聚焦成像在第一探测器焦平面11上;通道二的反射光束经过第二折转棱镜12折叠后入射至第三准直镜13上,经过第三准直镜13准直后入射至第二平面光栅14上,经过第二平面光栅14二次色散后再由第二聚焦透镜组15分波长聚焦成像在第二探测器焦平面16上。
具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统的应用,将本发明的光谱成像系统与离轴抛物面望远成像系统组合应用于NO2、SO2等大气成份的探测。
宽波段大气散射光束经过离轴抛物面望远成像系统成像在本发明的光谱成像系统的入射狭缝1上,宽波段光束再从入射狭缝1出射,入射狭缝1的尺寸为7.5mm×0.19mm,第一准直镜2的焦距为240mm,色散棱镜3的材料为熔石英,顶角α为35°,聚焦反射镜4的焦距为150mm,通道一的波段范围为250~510nm,通道二的波段范围为500~750nm,第一探测器焦平面11和第二探测器焦平面16均为1×1024的线阵,光谱分辨率均为0.5nm,第一折转棱镜7的顶角β为30°,第二折转棱镜12的顶角γ为25°,第一平面光栅9和第二平面光栅14的刻线密度均为600g/mm,闪耀波长分别为375nm和625nm。
本发明的棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统可以与不同结构的望远成像系统匹配,组成高分辨率成像光谱仪光学系统,实现宽波段高分辨率成像光谱探测,主要应用于航天遥感大气成份探测等领域。
Claims (8)
1.棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统,其特征在于,该光谱成像系统包括入射狭缝(1)、第一准直镜(2)、色散棱镜(3)、聚焦反射镜(4)、分色片(5)、平面折转镜(6)、第一折转棱镜(7)、第二准直镜(8)、第一平面光栅(9)、第一聚焦透镜组(10),第一探测器焦平面(11)、第二折转棱镜(12)、第三准直镜(13)、第二平面光栅(14)、第二聚焦透镜组(15)和第二探测器焦平面(16);
所述入射狭缝(1)和色散棱镜(3)的入射面(a)均位于第一准直镜(2)的焦平面上,所述分色片(5)同时位于聚焦反射镜(4)的焦平面和第二准直镜(8)的焦平面上;
从入射狭缝(1)出射的宽波段光束依次经第一准直镜(2)准直、色散棱镜(3)预色散后由聚焦反射镜(4)分波长聚焦至分色片(5)上,分色片(5)对短波长光束(c)进行透射形成透射光束,对长波长光束(d)进行反射形成反射光束,透射光束依次经平面折转镜(6)折转、第一折转棱镜(7)折转、第二准直镜(8)准直、第一平面光栅(9)二次色散后由第一聚焦透镜组(10)分波长聚焦成像在第一探测器焦平面(11)上;反射光束依次经第二折转棱镜(12)折叠、第三准直镜(13)准直、第二平面光栅(14)二次色散后由第二聚焦透镜组(15)分波长聚焦成像至第二探测器焦平面(16)上;
所述第一折转棱镜(7)的第一工作面(e)为透射面,第二工作面(f)为全反射面,第三工作面(g)为内反射面,第四工作面(h)为透射面,第二工作面(e)和第四工作面(h)位于同一平面上,第一折转棱镜(7)的顶角β满足:25°≤β≤35°;
所述第二折转棱镜(12)的第一工作面(i)为透射面,第二工作面(j)为内反射面,第三工作面(k)为全反射面,第四工作面(l)为透射面,第一工作面(i)和第三工作面(k)位于同一平面上,第二折转棱镜(12)的顶角γ满足:20°≤γ≤30°。
2.根据权利要求1所述的棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统,其特征在于,所述色散棱镜(3)的顶角α满足:33°≤α≤37°。
3.根据权利要求1所述的棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统,其特征在于,所述第一准直镜(2)和聚焦反射镜(4)均为离轴抛物面镜,第一准直镜(2)的曲率半径R1与聚焦反射镜(4)的曲率半径R2之间的关系满足:1.5R2≤R1≤1.7R2。
4.根据权利要求1所述的棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统,其特征在于,所述平面折转镜(6)、第一折转棱镜(7)、第二准直镜(8)、第一平面光栅(9)、第一聚焦透镜组(10)和第一探测器焦平面(11)组成通道一,通道一的波段范围为250~510nm;所述第二折转镜棱镜(12)、第三准直镜(13)、第二平面光栅(14)、第二聚焦透镜(15)和第二焦平面探测器(16)组成通道二,通道二的波段范围为500~750nm。
5.根据权利要求1所述的棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统,其特征在于,所述第二准直镜(8)和第三准直镜(13)均为球面反射镜。
6.根据权利要求1所述的棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统,其特征在于,所述第一平面光栅(9)和第二平面光栅(14)均为闪耀光栅,第一平面光栅(9)的闪耀波长为250~510nm;第二平面光栅(14)的闪耀波长为500~750nm。
7.根据权利要求1所述的棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统,其特征在于,所述第一聚焦透镜组(10)由2~6片球面透镜组成;所述第二聚焦透镜组(15)由2~5片球面透镜组成。
8.根据权利要求1所述的棱镜和光栅级联色散双通道高分辨率光谱成像系统,其特征在于,所述短波长光束(c)入射到所述分色片(5)的透射区域,所述长波长光束(d)入射到所述分色片(5)的反射区域,所述分色片(5)的中间区域为短波长光束(c)和长波长光束(d)的交叠区域。
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CN103389159A (zh) | 2013-11-13 |
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