CN108760634A - 一种用于机载水色探测的紫外-可见-近红外成像光谱仪 - Google Patents

一种用于机载水色探测的紫外-可见-近红外成像光谱仪 Download PDF

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沈威
薛辉
陈结祥
徐明明
武艺
罗晓乐
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Abstract

本发明公开了一种用于机载水色探测的紫外‑可见‑近红外成像光谱仪，包括：扁椭球主镜，扁椭球次镜，狭缝，熔石英半球透镜，两片熔石英弯月透镜，低密度刻线凹面光栅和平场像面。本发明中的成像光谱仪具有体积小，结构紧凑，能量传输收集能力强的特点，完全可以满足包含紫外波段的机载水色成像光谱探测要求。望远系统方面，采用了双扁椭球凸—凹反射镜系统，可以实现大视场和高分辨率的光学性能；成像光谱系统采用Dyson反射式光栅系统，该系统与Offner系统同属同心光谱仪系统，但是结构更紧凑，光学性能更好；本设计得到的改进系统F数可达1.5～3，结构紧凑、性能优越、简便易行，适用于工程应用。

Description

一种用于机载水色探测的紫外-可见-近红外成像光谱仪
技术领域
本发明属于成像光谱技术领域，具体涉及一种用于机载水色探测的紫外-可见-近红外成像光谱仪。
背景技术
成像光谱仪器在遥感领域中具有不可替代的作用，通过星载、机载等各类平台，成像光谱仪可以对所要遥感的目标进行实时监测和分析，从而获得目标二维成像细节和光谱信息组成的信息立方体，进而通过对这些数据信息的分析实现相关的监测和预报能力，其数据的高精度和大信息量具有其他探测仪器无法比拟的优越性。
适用于飞机平台的水色探测成像光谱仪的先进科学要求如下：具备紫外-可见-近红外宽谱段探测能力，空间覆盖率大，空间分辨率高，光谱分辨率好；仪器能量传输能力强，尤其在紫外波段需要较高的信噪比，因此系统F数要小，光学元件组成尽量少；结构紧凑、体积小、重量轻，便于机载。符合这类要求的成像光谱仪主要为Offner系统和Dyson系统等同心类光谱仪。其中Offner成像光谱仪已经在很多场合得到广泛应用，而Dyson成像光谱仪相比于Offner成像光谱仪，其结构更为紧凑，制作和装调更为简单，且在小F数下成像能力更具优势。但是由于其过于紧凑的系统结构，使得各元件的光机结构极难放置，因此在实际工程应用上远不及Offner系统。目前已有一些研究对Dyson成像光谱仪结构进行了改进，以使其具有更大的间距摆放各个元件：在国外，Warren等人在结构中增加了高次非球面镜来离散化Dyson结构；Wynne等人则通过增加更多的光学元件的变量参量的方法增大间距；国内也有研究利用Fery棱镜来代替结构中的光栅从而获得更大放置空间的方法。但是以上这些方法都没有在根本上解决Dyson成像光谱仪结构过于紧凑的问题。
为了实现以上要求，同时重点解决Dyson光谱仪的工程化问题，我们选用了双扁椭球反射镜望远系统作为成像光谱仪望远镜，其F数可达到2，视场可达30°，并且在320nm-1000nm都具有良好的成像能力，为了保证对远处目标的成像要求，我们将该望远系统设计成像方远心系统；针对Dyson系统，我们做了改进性研究，通过改变原有熔石英半球厚透镜为熔石英半球薄透镜和两片熔石英弯月透镜，大大增加了狭缝、探测器和光学元件之间的轴向和垂向间距，为了匹配前端望远系统，成像光谱系统的数值孔径为0.25，两套系统设计完毕后，在狭缝处进行匹配，最终成功获得了一种新型的成像光谱仪系统。
发明内容
本发明的目的是提供一种适用于机载水色探测的紫外-可见-近红外宽波段探测的成像光谱仪的系统设计。
本发明采用的技术方案为：一种用于机载水色探测的紫外-可见-近红外成像光谱仪，包括滤光片，主镜，次镜，狭缝，折转平面镜，熔石英半球透镜，第一熔石英弯月透镜，第二熔石英弯月透镜，凹面光栅和像面，远处目标经滤光片后入射进望远镜内，经过主镜，次镜成像在狭缝上；由狭缝出射的光经熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜和第二熔石英弯月透镜后入射在凹面光栅上，凹面光栅色散并反射入射光束，被色散反射的光束经第二熔石英弯月透镜、第一熔石英弯月透镜和熔石英半球透镜聚焦成像于像面上。
该光谱仪的全系统F数为2，工作波段为320nm～1000nm，视场30°，空间分辨率1mrad，光谱分辨率3.5nm，狭缝和像面在轴向上与熔石英半球透镜具有一定间距，并在垂向上存在足量间距，且二者均不在熔石英半球透镜和凹面光栅的共心上。
本发明的原理在于：该种用于机载水色探测的紫外-可见-近红外成像光谱仪，其为可以在宽波段和小F数条件下实现完善成像能力的光栅色散成像光谱仪系统。该结构中的组成部分包括：滤光片1，主镜2，次镜3，狭缝4，折转平面镜5，熔石英半球透镜6，第一熔石英弯月透镜7，第二熔石英弯月透镜8，凹面光栅9和像面10。远处目标经滤光片1后入射进望远镜内，经过主镜2，次镜3成像在狭缝4上；由狭缝4出射的光经熔石英半球透镜6、第一熔石英弯月透镜7和第二熔石英弯月透镜8后入射在凹面光栅9上，凹面光栅9色散并反射入射光束，被色散反射的光束经第二熔石英弯月透镜8、第一熔石英弯月透镜7和熔石英半球透镜6聚焦成像于像面10上，从而获得完善的成像光谱仪系统结构。
本发明各部分设置特点如下：
1)望远镜前端设置滤光片1，用于过滤掉320nm-1000nm带外的杂光；
2)望远镜系统为凸-凹式双反射镜望远系统，主镜2与次镜3均为扁椭球镜，且系统为像方远心，孔径光阑位于主镜2与次镜3之间，与次镜3间距为次镜3曲率半径的一半；
3)成像光谱系统为改进型Dyson系统，狭缝4与像面10的位置均与熔石英半球透镜6和凹面光栅9的共心在垂直于光轴的方向上偏置一定距离，且狭缝4与像面10也会在光轴方向上与熔石英半球透镜6具有一定的轴向距离，这两个距离可以根据探测器和狭缝的大小进行选择；
4)成像光谱系统为物方远心光路，孔径光阑位于光栅上，第一熔石英弯月透镜7靠近熔石英半球透镜6，第二熔石英弯月透镜8靠近凹面光栅9，熔石英半球透镜6和凹面光栅9仍然满足同心系统会聚成像条件，通过第一熔石英弯月透镜7和第二熔石英弯月透镜8的各参数消除由于大间距所引入的残余像差；
5)望远系统和成像光谱系统分别进行设计，然后在狭缝4处直接进行匹配，获得最终优化系统设计。
该成像光谱仪工作在320nm-1000nm的波段，视场角30°，空间分辨率1mrad，光谱分辨率可达3.5nm；系统由两反射镜望远镜系统和改进型Dyson同心光谱仪构成，其组成包括：扁椭球主镜，扁椭球次镜，狭缝，熔石英半球透镜，两片熔石英弯月透镜，低密度刻线凹面光栅和平场像面。本发明中的成像光谱仪具有体积小，结构紧凑，能量传输收集能力强的特点，完全可以满足包含紫外波段的机载水色成像光谱探测要求。望远系统方面，采用了双扁椭球凸—凹反射镜系统，可以实现大视场和高分辨率的光学性能；成像光谱系统采用Dyson反射式光栅系统，该系统与Offner系统同属同心光谱仪系统，但是结构更紧凑，光学性能更好；为了解决Dyson结构过于紧凑，导致各光学元件及其光机结构和探测器的放置容易发生干涉，因而较难得到工程应用的问题，通过对原Dyson光谱仪熔石英厚半球透镜的拆分，从而将厚半球透镜变为一个薄半球透镜和两片弯月透镜，进而使该成像光谱仪系统各组成元件在轴向和垂向均具备足够间距，并在宽波段和大数值孔径下保持优越的成像能力。远处探测目标经望远镜主镜和次镜在狭缝处会聚成像，从狭缝出射的发散光经熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜、第二熔石英弯月透镜后入射在凹面光栅上并发生色散和反射，反射色散光经第二熔石英弯月透镜、第一熔石英弯月透镜和熔石英半球透镜后会聚成像在像面上。根据不同能量传输需求，全系统F数可达1.5～3，本设计系统结构紧凑、性能优越、简便易行，适用于工程应用。
本发明的特点是：光学系统组成元件少，体积小；系统F数小，收集和传输能量能力强，信噪比高；狭缝和像面与光学元件在轴向和垂向上均具备足够的间距；发明设计具备良好的工程应用性。本系统由大视场、小F数的双扁椭球反射镜望远系统和改进型Dyson成像光谱系统组成，在紫外-可见-近红外的宽波段下能够实现良好成像的能力，全系统结构紧凑，能量收集传输能力强，在工程应用中可以实现小体积，低重量，适用于遥感领域。
通过以下的详细分析和图示解读将更好的帮助理解我们的发明设计。
附图说明
图1是当前发明的成像光谱仪的光路设计图。
图2是设计的成像光谱仪的设计结果图。
图中，1为滤光片，2为望远镜主镜，3为次镜，4为狭缝，5为平面折转镜，6为熔石英半球透镜，7为第一熔石英弯月透镜，8为第二熔石英弯月透镜，9为凹面光栅，10为像面。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
1)设置成像光谱仪的工作波段为320nm～1000nm，F数为2。由图1，发明设计的成像光谱仪由两部分组成，狭缝4前端为望远镜系统，远处目标发射光首先经过滤光片1过滤掉带外杂光光谱，再经过望远镜主镜2和次镜3成像于狭缝4上，其中主镜2为扁椭球凸面镜，次镜3为扁椭球凹面镜；狭缝4后端为改进后的Dyson成像光谱系统，组成包括狭缝4，平面折转镜5，熔石英半球透镜6，第一熔石英弯月透镜7，第二熔石英弯月透镜8，凹面光栅9和像面10。
2)根据表1，各光学元件参数如表1所示。光谱仪全系统视场角为30°，系统焦距为24.3mm，选用探测器像元尺寸为13微米，1024×1024像元面阵CCD探测器；
表1设计的成像光谱仪的基本光学参数数据
3)图2给出了发明设计的成像光谱仪系统全视场的成像RMS点列图与全波段之间的关系，该曲线全面的反映了系统的设计评价结果。图2中设置了边缘和中心共5个视场，可以看到，设计系统的各视场成像RMS点列图半径均小于5.5μm，各成像点弥散斑可以完全被13μm×13μm的探测器像元所包覆，全成像光谱仪系统具备良好的成像质量。

Claims (3)

1.一种用于机载水色探测的紫外-可见-近红外成像光谱仪，其特征在于：包括滤光片(1)，主镜(2)，次镜(3)，狭缝(4)，折转平面镜(5)，熔石英半球透镜(6)，第一熔石英弯月透镜(7)，第二熔石英弯月透镜(8)，凹面光栅(9)和像面(10)，远处目标经滤光片(1)后入射进望远镜内，经过主镜(2)，次镜(3)成像在狭缝(4)上；由狭缝(4)出射的光经熔石英半球透镜(6)、第一熔石英弯月透镜(7)和第二熔石英弯月透镜(8)后入射在凹面光栅(9)上，凹面光栅(9)色散并反射入射光束，被色散反射的光束经第二熔石英弯月透镜(8)、第一熔石英弯月透镜(7)和熔石英半球透镜(6)聚焦成像于像面(10)上。
2.如权利要求1所述的用于机载水色探测的紫外-可见-近红外成像光谱仪，其特征在于，该光谱仪的全系统F数为2，工作波段为320nm～1000nm，视场30°，空间分辨率1mrad，光谱分辨率3.5nm，狭缝(4)和像面(10)在轴向上与熔石英半球透镜(6)具有一定间距，并在垂向上存在足量间距，且二者均不在熔石英半球透镜(6)和凹面光栅(5)的共心上。
3.如权利要求1所述的用于机载水色探测的紫外-可见-近红外成像光谱仪，其特征在于，望远镜特主镜(2)为扁椭球主镜，次镜(3)为扁椭球次镜。
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