CN111208080A - 一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统,包括前置望远成像系统和Offner‑Littrow光谱成像系统。前置望远成像系统包括凹面反射镜、转折镜、主镜、次镜、分色片、退偏器和光阑;Offner‑Littrow光谱成像系统具体由滤光片、入射狭缝、探测器、凸面光栅、凹面反射镜和像差校正透镜构成;凹面反射镜将对地观测的光信息引入仪器,经折转镜、退偏器后,由主、次镜聚焦后,通过分色片形成两个独立光谱通道(300nm‑400nm)、(395nm‑500nm)进行探测。各波段光分别聚焦光谱仪入射狭缝,经滤光片后由像差校正透镜准直到凹面反射镜,通过凸面光栅分光反射至凹面反射镜,再经像差校正透镜聚焦到探测器上。本发明保证测量准确性,使整体光学系统体积紧凑。
Description
技术领域
本发明属于一种光学测量方法领域,仪器通过探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射来解析痕量污染气体成分NO2、SO2、O3等的分布和变化。具体由前置望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统两部分组成,主要应用于星载或机载平台的高分辨率成像光谱仪探测。
背景技术
本发明主要用于定量监测全球/区域痕量污染气体成分(O3、NO2、HCHO和SO2等)的分布和变化,获取大气痕量气体高光谱分辨率、高空间分辨率水平分布,监测我国上空及全球空气质量变化以及污染气体的分布输运过程,分析人类活动排放和自然排放过程对大气组成成分和全球气候变化的影响。
仪器的前置望远成像光学系统没有采用常用的摆扫机构,而是利用包括两片离轴非球面反射镜构成的宽视场前置望远镜,在穿轨方向形成114°大视场。仪器在太阳同步轨道进行天底观测、面阵推扫,幅宽为2600km,可近似实现一日全球覆盖监测。
自地球大气或地表散射、反射的光信息通过系统的前置望远成像系统会聚后,利用分色片进行分光,将各通道对应谱段的光会聚进入相应通道的Offner-Littrow结构成像光谱仪,在光谱仪内色散成像到面阵CCD探测器上,从而获取高光谱分辨率、高空间分辨率的光谱信息。
对地观测紫外成像光谱仪的分辨率要求高,光学系统的焦距就会长,若用相对口径大的光学系统来满足所要求的辐射能量、仪器的体积和重量就增加很多,可能超出卫星资源承受范围。这里采用镜面数少的望远镜和Littrow-0ffner改进结构的凸面光栅光谱仪,组成的光学结构能提高系统总光学效率,并可以减少口径。
前置望远成像系统是将地物目标的条带成像在Offner-Littrow光谱成像系统的入射狭缝上。光谱成像系统对入射狭缝进行色散,然后按不同波长成像在探测器的不同位置。通过适当选择光谱成像系统的色散系数可以获得不同光谱分辨率的图像。
光学系统设计不仅考虑工作波长范围、性能、体积和质量等问题,还要考虑空间应用环境下系统的工作稳定性问题。由于透射材料本身的温度稳定性差,同时紫外玻璃材料有限,因此前置望远成像系统采用反射式方案。通过综合考虑目前光学设计和加工技术水平,宽视场、高分辨率望远成像系统的设计方案如下:采用离轴两镜消像散结构设计实现114°宽视场探测,同时利用分色片进行分光,形成两个独立的光谱探测通道。前置望远成像系统分别将光谱信息(300-400)nm和(395-500)nm的光谱信息会聚进入相应通道的光谱仪入射狭缝。成像光谱仪采用Offner-Littrow结构设计,实现高光谱、空间分辨率,并且该结构易于实现小型化,适应空间技术。前置望远成像系统的会聚光最后进入各通道成像光谱仪,色散并成像到面阵CCD探测器,从而获取高光谱分辨率的光谱成像信息。
光谱波段指标要求为(300-500)nm,光谱分辨率≤0.6nm,空间分辨率优于7㎞。考虑到在这个波段辐照强度变化大,且光谱分辨率要求高,采用两通道设计方案,同时考虑到应用目标痕量气体的反演需求。
对地观测的大视场高分辨率紫外成像光谱仪光学系统的技术方案综合考虑应用需求,对卫星可提供资源和技术能力等方面进行综合权衡,优选光学结构,确定仪器参数。为设计一种航天上轻量化的大视场高分辨率对地观测的紫外成像光谱仪,优选了前置望远成像系统和基于凸面光栅的Offner-Littrow成像光谱仪的光学结构。沿狭缝方向的探测目标条带经望远系统成像在狭缝上,后经凸面光栅分光系统分光后形成光谱像并被探测器接收。通过对空间水平方向推扫方式获得了目标的成像数据立方,对目标进行空间分析和成分识别。
凸面光栅分光系统是对地观测的大视场高分辨率紫外成像光谱仪的核心部分,直接决定着成像光谱仪的光谱特性。由于紫外波段信号较弱,对于高分辨率成像光谱仪和微弱光谱信号探测的光谱仪器来说,具有较高的信噪比是至关重要的,而提高信噪比的主要途径就是要增大光谱仪的光通量和减小噪音。这里的光谱仪采用了优化后的Littrow-Offner型的分光系统,一方面继承了Offner型光学系统的优势,相对孔径大、固有像差小、成像质量高以及系统集光本领高的特点;同时该系统还具有Littrow型光学系统的优势:结构简单、紧凑,与经典的Offner型光学系统相比体积更小、重量更轻以及装调相对简单等特点。同时,系统引入像差校正透镜能更好地提升光谱仪信噪比。为了与Offner-Littrow光谱成像系统的光瞳相匹配,前置望远成像系统必须具有像方远心的结构,且宽波段范围内系统的分辨力较高。成像光谱仪的空间分辨率是由前置光学系统来决定的,根据不同的应用目的选择不同的前置光学系统,一般由于我们所测波段包括紫外波段,受紫外玻璃材料限制,考虑反射式结构。
对地观测的大视场高分辨率紫外成像光谱仪光学系统由前置望远成像系统、Offner-Littrow光谱成像系统两部分组成。目标物反射光通过凹面镜,经转折镜和退偏器后再经过离轴两反望远成像系统,通过分色片分成两个通道后,聚焦到光谱仪入射狭缝,这个目标条带像发出的光经过成像光谱仪后在垂直条带方向按光谱色散,并会聚成像在探测器光敏面。光敏面的行向平行于狭缝,称空间维,每一行水平光敏面元上是地物条带一个光谱波段的像;光敏面的列向是色散方向,称光谱维,每一列光敏面元上是地物条带一个空间采样视场(像元)光谱色散的像。光信号经过探测器进行光电转换,由信号处理电路进行放大、直流恢复、滤波,经过AD转换器将模拟信号转换为数字信号。根据指标分析结果,由于视场较大、对空间分辨率和光谱分辨率要求均较高,对地观测紫外成像光谱仪对探测器规模和灵敏度均有较高的要求。
发明内容
本发明要解决的技术问题为:克服现有技术不足,提供一种大视场宽谱段对地观测的紫外成像光谱仪的光学系统,将离轴两反望远成像技术和Offner-Littrow光谱成像技术相结合。并有效的利用凹面镜收集大视场光信息、转折光路和离轴两反望远成像通过分色片形成两通道探测,并通过狭缝分别和相应光谱通道的Offner-Littrow光谱仪相组合,来实现大视场、宽谱段、高光谱、高空间分辨率的探测技术,解决了大视场对地观测紫外成像光谱仪空间分辨率偏低、成像光谱仪系统视场过小、光学系统整体体积偏大、重量偏重等问题。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为:一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统,所述的光学系统包括前置望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统;前置望远成像系统包括:入瞳组件、凹面反射镜、光阑组件,转折镜、退偏器、主镜和次镜。主镜和次镜之间设置孔径光阑。并在望远成像系统后端设置分色片。所述前置望远成像系统根据探测光谱(300-500)nm通过分色片分为两个光谱通道,即第一通道(300-400)nm、第二通道(395-500)nm;所述Offner-Littrow光谱成像系统,和前置望远成像系统相应谱段匹配也分成两个通道,即第I通道的(300-400)nm、第II通道(395-500)nm,具体包括第I通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第I通道入射狭缝、第I通道滤光片、第I通道像差校正透镜、第I通道凹面反射镜、第I通道凸面光栅、第I通道探测器组成,第II通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第II通道入射狭缝、第II通道滤光片、第II通道像差校正透镜、第II通道凹面反射镜、第II通道凸面光栅、第II通道探测器组成。目标物为(300-400)nm波段的光从分色片反射后聚焦到第I通道的(300-400)nm入射狭缝处,目标物为(395-500)nm波段的光从分色片透射后聚焦到第II通道(395-500)nm入射狭缝处,所述前置望远成像系统通过分色片形成两个通道的光谱波段进行探测,范围分别是第一通道(300-400)nm、第二通道(395-500)nm。
第一通道(300nm-400nm)波段的光信息从第I通道入射狭缝和后端放置第I通道的滤光片进入第I通道的Offner-Littrow成像光谱仪系统,再经过第I通道像差校正透镜聚焦到第I通道凹面反射镜后反射至第I通道凸面光栅,分光后转折至第I通道凹面反射镜处,再经像差校正透镜聚焦到第I通道的探测器上;第二通道(395nm-500nm)波段的光信息从第II通道入射狭缝和后端放置第II通道滤光片进入第II通道的Offner-Littrow成像光谱仪系统,再经过第II通道像差校正透镜聚焦到第II通道凹面反射镜后反射至第II通道凸面光栅,分光后转折至第II通道凹面反射镜处,再经像差校正透镜聚焦到第II通道探测器上。
其中,所述光学系统由分色片分成两个光谱探测波段(300nm-400nm)、(395nm-500nm)分别进行光谱成像设计。根据上述探测波段分成两个独立的Offner-Littrow光谱成像系统。在每个Offner-Littrow光谱成像系统中,第I通道入射狭缝和第I通道探测器位于第I通道像差校正透镜中心线的上下对称分布。能够使得入射狭缝远离探测器,从而确保其他装在光谱成像系统上的装置没有遮挡入射狭缝。同样,第II通道入射狭缝和第II通道探测器位于第II通道像差校正透镜中心线的上下对称分布。第I通道像差校正透镜、第II通道像差校正透镜均为同心弯月透镜设计,用来校正由于相对孔径增大引起的像差。
其中,所述前置望远成像系统核心部分是主镜和次镜组成的离轴两镜消像散结构的结构形式。主镜和次镜均采用非球面设计,主镜为凸二次曲面,次镜为凹二次曲面,主镜和次镜之间设置了孔径光阑。这里采用视场离轴(入射光线倾斜入射方式),同时可以使得结构更简单紧凑。离轴两反望远系统的镜片材料为热膨胀系数超低的材料组成,这里用的是微晶玻璃。离轴两反望远系统均镀介质膜实现紫外可见波段的高效反射。
其中,所述前置望远成像系统中,对地观测114°大视场的光信息经过入瞳组件被凹面反射镜收集,通过转折镜进行折转光路。并在转折镜到主镜之间设置退偏器。并通过分色片进行光谱通道的光谱分割。凹面反射镜和转折镜均采用熔融石英玻璃材料设计,并镀介质膜。退偏器采用双重巴比特补偿器设计,实现仪器退偏功能。分色片材料采用熔融石英材料,出光面采用高次非球面设计,并镀分色膜。
其中,所述前置望远成像系统设计必须满足以下要求:①具有像方远心结构;②与后端Offner-Littrow光谱成像系统的凸面光栅分光系统数值孔径匹配。
其中,所述的Offner-Littrow光谱成像系统,第I通道凸面光栅和第II通道凸面光栅可以是凸面的Rowland光栅,也可以是凸面的像差校正光栅。第I通道凹面反射镜、第II通道凹面反射镜均采用ULE光学玻璃,并镀相应紫外可见波段介质反射膜。第I通道像差校正透镜、第II通道像差校正透镜均采用熔融石英玻璃制作,并镀相应紫外可见波段增透膜。
本发明的原理包括两部分:前置望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统;所述前置望远成像系统主要由凹面反射镜、转折镜、离轴两反望远镜、分色片以及退偏器构成。探测目标物的光分别经过凹面反射镜、转折镜、退偏器和离轴两反望远镜通过分色片形成两个独立的光谱通道。光学系统根据分色片将探测波段分成两个通道。具体是通道1(300-400)nm、通道2(395-500)nm。离轴两反望远成像系统将各自通道的光谱信息分别聚焦到Offner-Littrow成像光谱仪系统的入射狭缝处,通过控制离轴两反望远镜的曲率半径,主镜、次镜的间距和角度,以及两反镜的非球面系数来优化进入Offner-Littrow成像光谱仪入射狭缝处像质;所述Offner-Littrow光谱成像系统具体由入射狭缝、滤光片、像差校正透镜、凸面光栅、凹面反射镜和探测器构成。各波段信息的光从Offner-Littrow成像光谱仪系统入射狭缝进入,通过滤光片、像差校正透镜后经凹面反射镜反射到凸面光栅分光后,再经凹面反射镜和像差校正透镜聚焦到相应通道探测器上。
本发明与现有技术相比的优点在于:
(1)本发明的光学系统辐射能量利用效率高。本发明利用凹面镜将光信息引入仪器内部,通过离轴两反望远成像系统,由分色片将探测波段分成两个通道,分别进行光谱成像探测。通过本发明离轴两反望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统的MTF传递函数发现,本发明在一定的空间频率范围内具有良好的分辨率和对比度,从而提高系统的探测分辨率,保证测量的准确性。对地观测的紫外成像光谱仪光学系统在114°视场范围内,在探测的300nm-500nm波段范围内均能取得良好的光谱分辨率和空间分辨率(光谱分辨率优于0.6nm,空间分辨率优于7㎞)。
(2)本发明能够取得的较高的信噪比。Offner-Littrow光谱成像系统是基于凸面光栅分光系统,它是对地观测的大视场、高分辨率紫外成像光谱仪光学系统的核心部分,直接决定着成像光谱仪的光谱特性。由于紫外波段信号较弱,对于高分辨率成像光谱仪和微弱光谱信号探测的光谱仪器来说,具有较高的信噪比是至关重要的,而提高信噪比的主要途径就是要增大光谱仪的光通量和减小噪音。这里的光谱仪采用了Offner-Littrow型的分光系统,一方面继承了Offner型光学系统的优势,相对孔径大、固有像差小、成像质量高以及系统集光本领高的特点;同时该系统还具有Littrow型光学系统的优势:结构简单、紧凑,与经典的Offner型光学系统相比体积更小、重量更轻以及装调相对简单等特点。传统的Offner-Littrow光谱仪相对孔径一般为1/4左右,随着相对孔径的增大,为了避免遮拦,狭缝的离轴入射高度需要相应增大。因此,像差也相应增大,成像质量降低。而为了满足光谱仪相对孔径的要求1/3,传统的Offner-Littrow光谱仪不能满足成像要求。因此需要优化改进,即在凸面光栅附近插入了一个同心弯月透镜(像差校正透镜),用来校正由于相对孔径增大引起的像差。Offner-Littrow光谱成像系统实现高光通量、全息光栅高衍射效率,并且具有高光谱、空间分辨率、体积较小特点。入射狭缝和探测器在像差校正镜的中心线的上下对称分布,能够使得入射狭缝部件远离探测面,从而确保一个体积较大的探测器或者其他装在光谱成像系统上的装置没有遮挡入射狭缝部件。
(3)本发明可实现高光谱、高空间分辨率探测需求。光学系统中采用大面阵背照帧转移CCD芯片作为探测器,其像元大小为26μm×26μm,量子效率优于45%,同时结合热控设计,降低CCD芯片温度,改善器件暗电流,提高信噪比。
(4)本发明的离轴两反望远成像系统采用视场离轴方式的两镜消像散结构形式,将光阑放在主镜和次镜之间,两镜消像散结构可以获得大相对孔径,它可以看作是一个倒置的Cassegrain结构。在综合权衡各种望远镜光学方案的基础上,选择全反射视场离轴两镜消像散结构作为望远镜的结构型式,它由一个非球面主镜和一个非球面次镜组成,主镜为凸二次曲面,次镜为凹二次曲面,为了与光谱仪实现光瞳匹配,要求望远镜像方远心。
(5)本发明具有良好的杂光抑制性能。前置望远成像系统中的凹面反射镜和转折镜之间设置消杂光光阑;同时在Offner-Littrow光谱仪入射狭缝处加置滤光片,镀滤光膜控制带外光谱进入光谱仪内部。光谱仪的光栅采用凸面全息光栅,进行像散校正同时具有无鬼线、信噪比提升特点,光谱成像系统中的像差校正透镜采取倾斜设置,避免将镜面间多次反射的杂光引入探测器有效区域。
(6)本发明中离轴两反望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统里的反射镜用结构性能和热性能较好的微晶玻璃材料(Zerodur)或ULE玻璃材料,表面镀铝加氧化硅保护膜确保镜片工作光谱范围都有95%以上的反射率。
附图说明
图1为本发明的大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统示意图;
图2为本发明的前置望远成像光学系统示意图
图3为本发明的两通道Offner-Littrow成像光谱仪光学系统示意图;
图中:1为入瞳组件,2为凹面反射镜,3为光阑组件,4为转折镜,5为退偏器,6为主镜,7为孔径光阑,8为次镜,9为分色片,10为第I通道入射狭缝,11为第I通道滤光片,12为第I通道像差校正透镜,13为第I通道凹面反射镜,14为第I通道凸面光栅,15为第I通道探测器,16为第II通道入射狭缝,17为第II通道滤光片,18为第II通道像差校正透镜,19为第II通道凹面反射镜,20为第II通道凸面光栅,21为第II通道探测器。
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。
如图1、2、3所示,一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪的光学系统,包括前置望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统;其中前置望远成像系统包括:入瞳组件1、凹面反射镜2、光阑组件3,转折镜4、退偏器5、主镜6、次镜8。主镜6和次镜8之间设置孔径光阑7,并在望远成像系统后端设置分色片9。前置望远成像系统根据探测光谱(300-500)nm通过分色片9分为两个光谱通道,即第一通道(300-400)nm、第二通道(395-500)nm;Offner-Littrow光谱成像系统和前置望远成像系统相应谱段匹配也分成两个通道,即第I通道的(300-400)nm、第II通道(395-500)nm,第I通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第I通道入射狭缝10、第I通道滤光片11、第I通道像差校正透镜12、第I通道凹面反射镜13、第I通道凸面光栅14、第I通道探测器15组成,第II通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第II通道入射狭缝16、第II通道滤光片17、第II通道像差校正透镜18、第II通道凹面反射镜19、第II通道凸面光栅20、第II通道探测器21组成。目标物为(300-400)nm波段的光从分色片9反射后聚焦到第I通道的(300-400)nm入射狭缝10处,目标物为(395-500)nm波段的光从分色片9透射后聚焦到第II通道(395-500)nm入射狭缝16处,所述前置望远成像系统通过分色片9形成两个通道的光谱波段进行探测,范围分别是第一通道(300-400)nm、第二通道(395-500)nm。
第一通道(300nm-400nm)波段的光信息从第I通道入射狭缝10和后端放置第I通道的滤光片11进入第I通道的Offner-Littrow成像光谱仪系统,再经过第I通道像差校正透镜12聚焦到第I通道凹面反射镜13后反射至第I通道凸面光栅14,分光后转折至第I通道凹面反射镜13处,再经像差校正透镜12聚焦到第I通道的探测器15上;第二通道(395nm-500nm)波段的光信息从第II通道入射狭缝16和后端放置第II通道滤光片17进入第II通道的Offner-Littrow成像光谱仪系统,再经过第II通道像差校正透镜18聚焦到第II通道凹面反射镜19后反射至第II通道凸面光栅20,分光后转折至第II通道凹面反射镜19处,再经像差校正透镜18聚焦到第II通道探测器21上。
大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统主要由前置望远成像系统和后端Offner-Littrow光谱成像系统两部分组成,两个系统可分离,分别设计、制造、然后合并,同时设计时可以实现前置望远成像光学系统的光学像差在后面的光谱仪分光系统得到补偿。整合系统时,无论是在子系统还是整合系统光学最佳成像、聚焦、倾斜补偿都应该满足。经过凸面光栅成像光谱仪前端成像系统和分光系统的初步设计,分别得到了初始结构。为了提高成像光谱仪的成像质量就必须将后两个初始结构进行一体化设计,将前端望远成像系统和后端光谱分光系统结合起来,作为一个整体系统进行光学系统的优化,在优化的过程中,合理分配两个系统的像差,最终提高整体系统的成像质量。
如图2所示,本发明前置望远成像系统中通过凹面反射镜2将对地大视场光信息收集,经转折镜4折叠光路后经过退偏器5完成退偏功能,再由主镜6、孔径光阑7和次镜8组成的离轴两反望远镜形成了前置望远成像系统。最后通过分色片9分别聚焦到光谱仪入射狭缝10和入射狭缝16处。为了与Offner-Littrow成像光谱系统的光瞳相匹配,离轴两反望远成像光学系统必须具有像方远心的结构,宽波段范围内系统的分辨力较高,为了满足信噪比的要求,系统还要有较大的相对孔径。离轴两反望远成像系统是对地观测的大视场、高分辨率紫外成像光谱仪的关键部分。为了满足大视场角、高分辨、无偏振效应等技术要求,紫外到可见光波段的导入光学系统,采用反射系统是最可行且经济的方案。
如图3所示,本发明Offner-Littrow成像光谱仪系统中(第一通道为例)包括第I通道入射狭缝10、第I通道滤光片11、第I通道像差校正透镜12、第I通道凹面反射镜13、第I通道凸面光栅14、第I通道探测器15。从入射狭缝10入射后,经滤光片11后,通过像差校正透镜12具有一定发散角的多色光准直入射到凹面反射镜13,再由凹面反射镜13反射到凸面光栅14上,因为凸面光栅14的光栅条纹密度足够高,使从它衍射的光束返回到凹面反射镜13,再经像差校正透镜12聚焦到探测器15上。最后狭缝的光谱像被成像到入射狭缝上方的面阵CCD上。本发明中的凸面光栅是Offner-Littrow成像光谱仪的关键核心器件。利用凸面光栅的Offner成像光谱仪在空间和光谱方向都有较好的分辨率,广泛地被用于低色散、大视场的图像光谱仪中。这里的凸面光栅都是根据各自通道特点单独设计技术参数,如刻划线等,尽可能达到较高的衍射效率。衍射的-1级往往被用来成像。当光栅的条纹数增加,较长的波长的衍射光经凹面反射镜的第二次反射后被凸面光栅阻挡,故光栅的色散不能过大。如果光栅的条纹数足够大,使衍射光向上射向凹面镜,这就成了Offner-Littrow形式。因为谱段不同,各自通道光谱仪的凸面光栅参数不一样,本发明实施例根据波段不同,实际设置为第一通道(300-400)nm,刻划线为2330L/mm、第二通道(395-500)nm,刻划线为1924L/mm。
本发明在前置望远成像光学系统中采用一个凹面球面反射镜与折叠平面镜加入两反望远系统组成前置像方远心系统,实现大相对孔径,增强了系统的集光能力,有利于提高系统的信噪比;分光成像模块采用Offner-Littrow结构形式,引入像差校正透镜,能同时获得优异的空间分辨率与光谱分辨率;优化镀膜技术,减少镜片数量,提升光学系统效率。整体光学系统在大视场114°范围内具有较高的光谱分辨率和空间分辨率。Offner-Littrow光谱仪光谱成像性能优异,尤其是畸变的改善,并且易于整个系统的小型化和轻型化,实现了紫外/可见宽谱段探测高光谱分辨率和空间分辨率的要求,特别适合航天对地光谱探测技术应用。
本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。
Claims (7)
1.一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统,其特征在于:所述的光学系统包括前置望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统;所述前置望远成像系统包括:入瞳组件(1)、凹面反射镜(2)、光阑组件(3),转折镜(4)、退偏器(5)、主镜(6)和次镜(8);主镜(6)和次镜(8)之间设置孔径光阑(7);并在前置望远成像系统后端设置分色片(9),所述前置望远成像系统根据探测光谱(300-500)nm通过分色片(9)分为两个光谱通道,即第一通道(300-400)nm、第二通道(395-500)nm;所述Offner-Littrow光谱成像系统,和前置望远成像系统相应谱段匹配也分成两个通道,即第I通道的(300-400)nm、第II通道(395-500)nm,第I通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第I通道入射狭缝(10)、第I通道滤光片(11)、第I通道像差校正透镜(12)、第I通道凹面反射镜(13)、第I通道凸面光栅(14)和第I通道探测器(15)组成,第II通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第II通道入射狭缝(16)、第II通道滤光片(17)、第II通道像差校正透镜(18)、第II通道凹面反射镜(19)、第II通道凸面光栅(20)和第II通道探测器(21)组成;目标物为(300-400)nm波段的光从分色片(9)反射后聚焦到第I通道的(300-400)nm入射狭缝(10)处,目标物为(395-500)nm波段的光从分色片(9)透射后聚焦到第II通道(395-500)nm入射狭缝(16)处,所述前置望远成像系统通过分色片(9)形成两个通道的光谱波段进行探测,范围分别是第一通道(300-400)nm、第二通道(395-500)nm;
第一通道(300nm-400nm)波段的光信息从第I通道入射狭缝(10)和后端放置第I通道的滤光片(11)进入第I通道的Offner-Littrow成像光谱仪系统,再经过第I通道像差校正透镜(12)聚焦到第I通道凹面反射镜(13)后反射至第I通道凸面光栅(14),分光后转折至第I通道凹面反射镜(13)处,再经像差校正透镜(12)聚焦到第I通道的探测器(15)上;第二通道(395nm-500nm)波段的光信息从第II通道入射狭缝(16)和后端放置第II通道滤光片(17)进入第II通道的Offner-Littrow成像光谱仪系统,再经过第II通道像差校正透镜(18)聚焦到第II通道凹面反射镜(19)后反射至第II通道凸面光栅(20),分光后转折至第II通道凹面反射镜(19)处,再经像差校正透镜(18)聚焦到第II通道探测器(21)上。
2.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统,其特征在于:所述光学系统由分色片分成两个光谱探测波段(300nm-400nm)、(395nm-500nm)分别进行光谱成像设计;根据上述探测波段分成两个独立的Offner-Littrow光谱成像系统。在每个Offner-Littrow光谱成像系统中,第I通道入射狭缝(10)和第I通道探测器(15)位于第I通道像差校正透镜(12)中心线的上下对称分布。能够使得入射狭缝(10)远离探测器(15),从而确保其他装在光谱成像系统上的装置没有遮挡入射狭缝(10);同样,第II通道入射狭缝(16)和第II通道探测器(21)位于第II通道像差校正透镜(18)中心线的上下对称分布。第I通道像差校正透镜(12)、第II通道像差校正透镜(18)均为同心弯月透镜设计,用来校正由于相对孔径增大引起的像差。
3.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统,其特征在于:所述前置望远成像系统核心部分是主镜(6)和次镜(8)组成的离轴两镜望远系统;主镜(6)和次镜(8)均采用非球面设计,主镜(6)为凸二次曲面,次镜(8)为凹二次曲面,主镜(6)和次镜(8)之间设置了孔径光阑(7);这里采用视场离轴(入射光线倾斜入射方式),同时可以使得结构更简单紧凑;
离轴两反望远系统的镜片材料为热膨胀系数超低的材料组成,这里用的是微晶玻璃。离轴两反望远系统均镀介质膜,实现紫外可见波段的高效反射。
4.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统,其特征在于:所示前置望远成像系统:对地观测114°大视场的光信息经过入瞳组件(1)被凹面反射镜(2)收集,通过转折镜(4)进行折转光路;并在转折镜(4)到主镜之间设置退偏器(5);并通过分色片(9)进行光谱通道的光谱分割;凹面反射镜(2)和转折镜(4)均采用熔融石英玻璃材料设计,并镀介质膜;退偏器(5)采用双重巴比特补偿器设计,实现仪器退偏功能;分色片(9)材料采用熔融石英玻璃材料,出光面采用高次非球面设计,并镀分色膜。
5.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统,其特征在于:前置望远成像系统设计必须满足以下要求:①具有像方远心结构;②与后端Offner-Littrow光谱成像系统的凸面光栅分光系统数值孔径匹配。
6.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统,其特征在于:所述第I通道凸面光栅(14)和第II通道凸面光栅(20)可以是凸面的Rowland光栅,也可以是凸面的像差校正光栅。
7.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统,其特征在于:所述第I通道凹面反射镜(13)、第II通道凹面反射镜(19)均采用ULE光学玻璃,并镀相应紫外可见波段介质反射膜;第I通道像差校正透镜(12)、第II通道像差校正透镜(18)均采用熔融石英玻璃制作,并镀相应紫外可见波段增透膜。
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PB01 | Publication | ||
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SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200529 |
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