CN109239916B - 基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统 - Google Patents

基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统。其特征在于：地面目标的一个条带经过改进型施密特望远镜汇聚成像在焦面位置狭缝上，再经自由曲面OFFNER光谱仪色散后分波长成像在面阵探测器上，随着平台运行推扫获得图谱合一的图像。本发明解决了现有大视场快焦比高光谱成像仪光路复杂、非球面众多、制造和装调困难的问题。采用改进型施密特式望远镜，仅含有一个非球面，结构简单、加工难度低，具有像质优良、畸变小、中心遮拦比小特点；采用自由曲面凹面镜光谱仪形式，避免使用大口径透镜，实现了大视场像差校正。因此本发明适合大口径宽视场快焦比小畸变高分辨率的高光谱成像领域，极大程度降低仪器的研制难度。

Description

基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统
技术领域
本发明涉及星载大视场快焦比高分辨率高光谱成像仪，具体是指一种采用改进型施密特望远镜和自由曲面奥夫纳(OFFNER)光谱仪结合的高光谱成像仪形式。
背景技术
高光谱成像技术把成像技术与光谱技术相结合，可以同时采集地面物体的空间特征和光谱特性，是对地遥感与目标探测的重要手段，在国土资源探测、环境灾害监测、农林渔牧、海洋监测以及目标探测、伪装识别等领域发挥着越来越重大的作用。
欧美等发达国家十分重视空间遥感高光谱成像仪的研究，投入了大量的人力和物力，取得了一定的研究成果。国际上具有代表性的星载高光谱成像仪是2000年美国EO-1卫星上的Hyperion成像仪和2001年欧洲PROBA小卫星上的CHRIS成像仪。国内，2018年5月成功发射了由中国科学院上海技术物理研究所承担研制的高分五号可见短波红外高光谱相机载荷。未来各国均规划了性能更先进的高光谱传感器，包含印度正在研制高光谱卫星CartoSat-3/3A/3B、ResourceSat-3，计划2020年发射；以及2023年计划发射的美国HyspIRI卫星等。
美国TRW公司研制的Hyperion仪器，采用TMA共用望远镜和分色片分光成两个Offner凸球面光栅光谱成像结构，在705km轨道高度幅宽7.5km对应视场0.61度，工作波段400nm-2500nm，光谱通道数220个，空间分辨率30m。英国Sira公司研制的CHRIS仪器，在830km轨道高度成像幅宽18.6km对应视场1.28度，光学系统采用卡式望远镜和棱镜色散光谱成像结构，工作波段400nm-1050nm，分为两个光谱通道VNIR和SWIR，VNIR的光谱通道数为16、空间分辨率为17m，SWIR的光谱通道数为62、空间分辨率为34m。中国研制的高分五号可见短波红外高光谱相机载荷，采用离轴三反主光学望远镜和校正透镜凸面光栅offner光谱仪结构，实现了对地成像优于30m空间分辨率，具有330个光谱通道和60km成像幅宽，与Hyperion相比，该载荷幅宽提高了8倍。目前印度正在研制高光谱卫星CartoSat-3/3A/3B、ResourceSat-3，幅宽为25km，空间分辨率25m，光谱分辨率为12nm，接近200个通道数。而美国正在研制的HyspIRI卫星，其载荷幅宽达到了150km，接近13.8度视场，空间分辨率为30m，光谱分辨率为10nm，在380nm-2500nm光谱范围内接近220个光谱通道。
国内外高光谱成像仪发展显示，幅宽由Hyperion的7.5km到HyspIRI的150km，可见随着空间遥感应用的不断深入，对高光谱遥感的幅宽、空间分辨率、光谱范围、光谱分辨率、时间分辨率与定标精度等指标提出了新的要求，要求其视场覆盖范围越大，这样回访周期越短，仪器的时间分辨率就越高；同时由于像面照度与相对孔径平方成正比，相对孔径越大，仪器的集光能力就越强，信噪比就越高。因此星载大视场、快焦比高分辨率高光谱成像仪成为空间遥感的迫切需求。
由国内外星载大视场快焦比高光谱成像仪发展趋势来看，常用的望远镜形式多为离轴三反和同轴两反结构，光谱仪形式多为凸面光栅OFFNER和棱镜色散形式，这些光学系统存在很多难题，主要体现在：
1.离轴三反望远系统，采用三个离轴非球面组成，系统较为复杂，制造难度大、难以消除高频误差，而且装调困难。
2.同轴两反卡式望远系统，采用两个非球面组成，次镜遮拦比10％比较大，其成像视场不大于3°。
3.校正透镜凸面光栅OFFNER光谱仪结构存在一个校正透镜，系统受色差影响，大尺寸透镜材料难以获取、制造装调难度较大。
将改进型施密特望远镜和自由曲面奥夫纳分光结合的光学方案应用在大视场快焦比高分辨率高光谱成像仪系统中，是基于施密特望远镜仅含有一个非球面，结构简单、紧凑、加工难度低，具有像质优良、畸变小特点，中心遮拦比远远小于同轴两反系统，且同轴设计更适合于大口径方案；OFFNER光谱仪采用自由曲面凹面镜，避免使用大口径透镜，从而实现了大视场像差的校正。因此解决了高光谱成像仪结构复杂的问题，实现了大视场快焦比高分辨率成像，提高了探测效率。
发明内容
改进型施密特望远镜和自由曲面的应用为研究高分辨率高光谱成像仪提供一种新型的光学系统形式。本发明的技术构思是根据推扫式高光谱成像仪的原理进行设计，将改进型施密特系统作为望远镜形式，由施密特主镜1、第一平面折转镜2、球面反射镜3和场镜4组成；自由曲面OFFNER系统作为光谱仪形式，包括狭缝5、第一自由曲面反射镜6、凸面光栅7、第二自由曲面反射镜8、第二平面折转镜9和面阵探测器10。地物目标的一个条带先经过改进型施密特望远镜中的施密特主镜反射1、第一平面折转镜反射2、球面反射镜3反射和场镜4透射汇聚成像在望远镜焦面位置狭缝5上；自由曲面OFFNER光谱仪作用是对狭缝5进行色散成像，依次通过第一自由曲面反射镜6反射、凸面光栅7反射色散分光、第二自由曲面反射镜8、第二平面折转镜9反射后按波长不同成像在面阵探测器10的不同位置上，再随仪器平台运行方向推扫得到图谱合一的图像。因此本发明的技术解决方案如下：
根据本发明所述的施密特主镜1为金属或玻璃反射镜，呈12.5°角度沿光轴倾斜，具有椭球面非圆对称非球面面形如下述公式所示，公式中Z为施密特主镜矢高，X和Y是两个方向轴X轴和Y轴的半口径坐标，Cx和Cy是X轴和Y轴的曲率，Kx和Ky是两个轴向的二次非球面系数，AR和AP是二阶非球面参数，BR和BP是三阶非球面参数。
本发明所述的第一平面折转镜2为金属或玻璃平面反射镜，中心有让光线通过的开孔，与光轴倾斜夹角45°。所述的球面反射镜3为金属或玻璃反射镜。所述的场镜4有两个透镜组成，面形均为球面，表面镀增透膜，远离改进型施密特望远镜焦面位置的透镜材料为氟化钙，靠近焦面位置的透镜材料为石英。所述的第一自由曲面反射镜6和第二自由曲面反射镜8为金属或玻璃反射镜，自由曲面采用Zernike多项式表达。所述的凸面光栅7为凸面玻璃反射衍射闪耀光栅，反射级次为-1级，材料为玻璃。
本发明由于把改进型施密特系统与自由曲面OFFNER光谱仪相结合，在大视场和快焦比情况下，明显地提升了波段探测的功能，系统的优点如下：
1.改进型施密特望远镜大视场快焦比工作时，结构简单仅有一个非球面，系统具有成像优良、畸变小、中心遮拦比小。在视场大于5°×5°、焦比2情况下，可以实现空间分辨率43.3μrad，系统传函在奈奎斯特频率20lp/mm处优于0.7，畸变小于0.7％，中心遮拦比小于5％。
2.自由曲面OFFNER光谱仪结构避免使用大口径透镜，自由曲面使得55mm狭缝长度时的传函在奈奎斯特频率20lp/mm处均优于0.8，实现了光谱分辨率3.33nm，轴外视场光谱弯曲为一个像元的0.12％，光谱畸变为0.73％。
3.施密特光学系统形式应用广泛，能应用于全球测绘、地球科学、大气探测、月球、火星或小行星探测等各种激光三维成像领域和高光谱成像领域。
附图说明
图1为基于改进型施密特望远镜和自由曲面奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统光路图，(1)施密特主镜、(2)第一平面折转镜、(3)球面反射镜、(4)场镜、(5)狭缝、(6)第一自由曲面反射镜、(7)凸面光栅、(8)第二自由曲面反射镜、(9)第二平面折转镜、(10)面阵探测器。
具体实施方式
本发明设计了一种基于改进型施密特望远镜和自由曲面奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统，像质优良，系统主要技术指标如下：
1.主镜口径300mm，光学系统焦比2，焦距600mm；
2.谱段范围：400-1000nm，光谱分辨率3.33nm；
3.全视场：5°×5°；
4.探测器像元大小26μm、像元数2048×1024；
5.空间分辨率：优于43.3μrad；
6.全视场传函在奈奎斯特频率20lp/mm处优于0.7、光谱畸变小于0.73％、光谱弯曲为0.12％像元、中心遮拦比小于5％。
光学系统具体设计参数如表1所示：
表1光学系统具体设计参数

Claims (5)

1.一种基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统，分为改进型施密特望远镜和自由曲面奥夫纳光谱仪两个部分，其特征在于：
所述的改进型施密特望远镜由施密特主镜(1)、第一平面折转镜(2)、球面反射镜(3)和场镜(4)组成；自由曲面奥夫纳光谱仪包括狭缝(5)、第一自由曲面反射镜(6)、凸面光栅(7)、第二自由曲面反射镜(8)、第二平面折转镜(9)和面阵探测器(10)；
地物目标的一个条带先经过改进型施密特望远镜中的施密特主镜(1)反射、第一平面折转镜(2)反射、球面反射镜(3)反射和场镜(4)透射汇聚成像在望远镜焦面位置狭缝(5)上；自由曲面奥夫纳光谱仪作用是对狭缝(5)进行色散成像，依次通过第一自由曲面反射镜(6)反射、凸面光栅(7)反射色散分光、第二自由曲面反射镜(8)和第二平面折转镜(9)反射后按波长不同成像在面阵探测器(10)的不同位置上，再随仪器平台运行方向推扫得到图谱合一的图像；
所述的施密特主镜(1)为金属或玻璃反射镜，具有椭球面非圆对称非球面面形，呈12.5°角度沿光轴倾斜；
所述的场镜(4)由两个透镜组成，面形均为球面，表面镀增透膜，远离改进型施密特望远镜焦面位置的透镜材料为氟化钙，靠近焦面位置的透镜材料为石英。
2.根据权利要求1所述的一种基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统，其特征在于：所述的第一平面折转镜(2)为金属或玻璃平面反射镜，中心有让光线通过的开孔，与光轴倾斜夹角45°。
3.根据权利要求1所述的一种基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统，其特征在于：所述的球面反射镜(3)为金属或玻璃反射镜。
4.根据权利要求1所述的一种基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统，其特征在于：所述的第一自由曲面反射镜(6)和第二自由曲面反射镜(8)为金属或玻璃反射镜，面形为自由曲面。
5.根据权利要求1所述的一种基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统，其特征在于：所述的凸面光栅(7)为凸面玻璃反射衍射闪耀光栅，反射级次为-1级。
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