CN114252155B - 一种用于紫外高光谱相机的焦面分光方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于星载紫外高光谱相机技术领域，具体地说，涉及一种用于紫外高光谱相机的焦面分光方法，该方法基于紫外高光谱相机实现，该方法包括：具有紫外波段的入射光线入射至扫描镜(1)，经扫描镜(1)反射至望远镜(2)，经望远镜(2)反射至光谱反射镜(3)，再经光谱反射镜(3)反射至反射光栅，在反射光栅处进行分光，形成80‑140nm波段的光线和160‑180nm波段的光线；80‑140nm波段的光线沿着光线传输路径反射至紫外探测器的像面上，进行成像，形成80‑140nm波段焦面；同时，160‑180nm波段的光线，在其光线传输路径上通过光学透镜组(6)反射至紫外探测器的像面上，进行成像，形成160‑180nm波段焦面；80‑140nm波段焦面和160‑180nm波段焦面不在同一焦面位置。

Description

一种用于紫外高光谱相机的焦面分光方法
技术领域
本发明属于星载紫外高光谱相机技术领域，具体地说，涉及一种用于紫外高光谱相机的焦面分光方法。
背景技术
气辉、极光是空间光学辐射背景中一种重要的自然发光现象，在电离层高度，对O气辉、N2气辉进行探测，反演可获得电离层电子密度、热层O/N2等信息，从而对电离层及其扰动情况进行监测和预报。电离层是空间天气中的一个重要区域，也是人类空间活动最重要的区域之一，其时空变化对卫星导航定位、地空无线电通信等系统电波信号传播有着重要影响，对其状态和变化的监测预警是空间天气业务中的重要组成部分。
利用星载紫外高光谱相机对紫外波段气辉辐射进行探测，是研究电离层的理想探测手段。20世界70年代，国际上就开始在卫星上开展真空紫外电离层探测，并且一直持续至今。国外具有代表性的星载紫外光谱相机包括：美国2001年发射的太阳同步轨道卫星TIMED上装载的GUVI(Global UltraViolet Imager)、2017年美国UC Birkeley牵头研制的电离层联合探测计划ICON和2018年美国LASP研制的全球尺度临边天底观测仪GOLD。
利用紫外波段进行气辉探测分为两个主要波段：一个是60～100nm波段，用于测量83.4nm处氧的离子浓度；另一个是120～180nm波段，用于测量121.6nm处的氢线、130.4和135.6nm的氧原子线、160-180nm的氮分子LBH带。
由于用于接收相机光学信号的探测器，无法覆盖60～180nm的宽波段，故单个光学通道无法实现所有波段的探测。用传统的方法在光路中进行分光设计，但是，不仅会增加相机的体积与重量，分光后能量的损失也不利于气辉这样的弱目标探测。另外，研制两台相机分别探测两个波段，不仅消耗更多的资源，也无法做到同时、同视场获得目标的功能。
发明内容
为解决现有技术存在的上述缺陷，本发明提出了一种用于紫外高光谱相机的焦面分光方法，该方法基于紫外高光谱相机实现，该紫外高光谱相机包括：扫描镜、望远镜、光谱反射镜、反射光栅和光学透镜组；
扫描镜与望远镜呈对角式交错设置，望远镜位于扫描镜的斜下方；望远镜与光谱反射镜呈对角式交错设置，光谱反射镜位于望远镜的斜下方；扫描镜、光谱反射镜和光学透镜组均位于同侧，而望远镜位于相对侧；
该方法包括：
具有紫外波段的入射光线入射至扫描镜，经扫描镜反射至望远镜，经望远镜反射至光谱反射镜，再经光谱反射镜反射至反射光栅，在反射光栅处进行分光，形成80-140nm波段的光线和160-180nm波段的光线；
80-140nm波段的光线沿着光线传输路径反射至紫外探测器的像面上，进行成像，形成80-140nm波段焦面；
同时，160-180nm波段的光线，在其光线传输路径上通过光学透镜组6折射至紫外探测器的像面上，进行成像，形成160-180nm波段焦面；
80-140nm波段焦面和160-180nm波段焦面不在同一焦面位置。
作为上述技术方案的改进之一，所述方法还包括：
所述紫外探测器同时采集80-140nm波段下的图像和160-180nm波段下的图像，并将采集到的两个波段图像拼接，获得双波段下的高光谱图像。
作为上述技术方案的改进之一，所述光学透镜组包括依次顺序设置的第一氟化钙透镜、第二氟化钙透镜、第三氟化钙透镜和氟化镁透镜。
作为上述技术方案的改进之一，所述第一氟化钙透镜、第二氟化钙透镜、第三氟化钙透镜和氟化镁透镜的透镜表面均为全球面透镜。
作为上述技术方案的改进之一，所述第一氟化钙透镜、第二氟化钙透镜、第三氟化钙透镜均采用氟化钙材料制成；所述氟化镁透镜采用氟化镁材料制成。
本发明与现有技术相比的有益效果是：
1、本发明采用焦面分光的方法，仅采用单个通道即实现了宽波段范围的成像，相比于传统的双通道光学系统，提升了光学系统的探测效率，减少了光学系统的体积与重量；
2、本发明的方法不仅可解决单片探测器无法同时覆盖160nm～180nm波段和80nm～140nm波段的宽波段范围探测的问题，也可适用于因单片探测器尺寸不足，而无法匹配大焦面尺寸光学系统的问题；
3、在保证成像质量的前提下，采用全球面透镜组成的光学透镜组，不使用非球面，整体结构紧凑、简单。
附图说明
图1是本发明的一种用于紫外高光谱相机的分光方法的光路示意图；
图2是160nm～180nm波段的焦面足印图；
图3是80nm～140nm波段的焦面足印图。
附图标记：
1、扫描镜 2、望远镜
3、光谱仪反射镜 4、反射光栅
5、80～140nm波段焦面 6、光学透镜组
7、160～180nm波段焦面 8、第一氟化钙透镜
9、第二氟化钙透镜 10、第三氟化钙透镜
11、氟化镁透镜 12、波长160nm处光斑
13、波长165nm处光斑 14、波长170nm处光斑
15、波长175nm处光斑 16、波长180nm处光斑
17、波长80nm处光斑 18、波长95nm处光斑
19、波长110nm处光斑 20、波长125nm处光斑
21、波长140nm处光斑
具体实施方式
现结合附图和实例对本发明作进一步的描述。
如图1所示，本发明提供了一种用于紫外高光谱相机的焦面分光方法，该方法解决了目前单通道光学系统无法实现宽波段探测的问题，同时解决了用双通道光路造成的光学系统效率下降、体积重量增加的问题；另外，本发明的分光方法，与传统的分光方法相比，具备不损耗光学系统的探测效率、大大降低传统分光方法的重量与体积的特点。
本发明提供的一种用于紫外高光谱相机的焦面分光方法，该方法基于紫外高光谱相机实现，该紫外高光谱相机包括：扫描镜1、望远镜2、光谱反射镜3、反射光栅4和光学透镜组6；
扫描镜1与望远镜2呈对角式交错设置，望远镜2位于扫描镜1的斜下方；望远镜2与光谱反射镜3呈对角式交错设置，光谱反射镜3位于望远镜2的斜下方；扫描镜1、光谱反射镜3和光学透镜组均位于同侧，而望远镜2位于相对侧；
该方法包括：
具有紫外波段的入射光线入射至扫描镜1，经扫描镜1反射至望远镜2，经望远镜2反射至光谱反射镜3，再经光谱反射镜3反射至反射光栅，在反射光栅处进行分光，形成80-140nm波段的光线和160-180nm波段的光线；
80-140nm波段的光线沿着光线传输路径反射至紫外探测器的像面上，进行成像，形成80-140nm波段焦面；
同时，160-180nm波段的光线，在其光线传输路径上通过光学透镜组6折射至紫外探测器的像面上，进行成像，形成160-180nm波段焦面；
80-140nm波段焦面和160-180nm波段焦面不在同一焦面位置。
所述方法还包括：
所述紫外探测器同时采集80-140nm波段下的图像和160-180nm波段下的图像，并将采集到的两个波段图像拼接，获得双波段下的高光谱图像。
其中，所述光学透镜组6包括依次顺序设置的第一氟化钙透镜8、第二氟化钙透镜9、第三氟化钙透镜10和氟化镁透镜11。
其中，光学透镜组6的材料包括氟化镁和氟化钙，光学透镜组的主要作用是校正色差、改变焦面位置。
所述第一氟化钙透镜8(即下表中的透镜1)、第二氟化钙透镜9(即下表中的透镜2)、第三氟化钙透镜10(即下表中的透镜3)和氟化镁透镜11(即下表中的透镜4)的透镜表面均为全球面透镜，不使用胶合件，各透镜的具体参数在实际操作中，可做微调以满足不同的系统参数要求；在本实施例中，该光学透镜组6中的各个透镜的参数如下表所示：
Figure GDA0003664117160000041
Figure GDA0003664117160000051
其中，第一氟化钙透镜、第二氟化钙透镜、第三氟化钙透镜均采用氟化钙材料制成，而氟化镁透镜采用氟化镁材料制成。
为满足结构参数要求，并进一步提高像质，对光学透镜组6进行持续优化，经过优化后，各个透镜表面的半径与厚度间隔发生变化本实施例的具体优化措施为应用zemax光学设计软件构造优化函数，并加入像差与结构限制参量，逐步得到上表中各个透镜的参数的结果。
本发明的分光方法的具体过程为：
(1)入射光线依次顺序经过扫描镜1、望远镜2、光谱反射镜3、反射光栅4后进行分光，得到80～140nm波长和160～180nm波长两个波段的光线，选取80～140nm波长和160～180nm波长两个波段作为焦面分光波段，其中，80～140nm波长范围覆盖83.4nm、121.6nm、130.4nm和135.6nm，160～180nm波长范围覆盖氮分子LBH带，满足紫外波段气辉探测的目标要求；
(2)基于现有的紫外高光谱相，成像在80～140nm波段焦面5位置处，保留80～140nm波长的波段焦面位置不变，即不改变80～140nm波长的像面位置，该位置可放置探测器，用于采集80～140nm波段下的图像；
(3)160～180nm波长的波段焦面则利用一组光学透镜组6，成像在另一个160～180nm波段焦面7位置处，即利用透镜组更改160～180nm波长的像面位置，将探测器放置在更改位置后的焦面处，用于采集160～180nm波段下的图像；
其中，两个焦平面和透镜组保证有足够的间隔，从而保障安装的空间；
(4)将采集的两个波段的图像拼接在一起后，可获得双波段下的高光谱图像，即可还原一幅完整波段的高光谱图像。
基于已有的紫外高光谱光路，通过在焦面处增设的光学透镜组更改了焦面位置，保留了80-140nm波段焦面位置不变，改变了160-180nm波段焦面的位置，实现了焦面的分光效果。本发明的方法应用在一台高光谱相机上；本发明的分光方法，不仅可用于同一视场下不同波段的图像获取，也可用于同一波段范围内不同视场的图像获取。
如图2所示，为160～180nm波段焦面上的光斑图。其中，12为波长160nm处光斑、13为波长165nm处光斑、14为波长170nm处光斑、15为波长175nm处光斑、16为波长180nm处光斑。所有光斑尺寸的RMS半径均小于150um，满足电离层探测的光学像质要求。
如图3所示，为80～140nm波段焦面上的光斑图。其中，17为波长80nm处光斑、18为波长95nm处光斑、19为波长110nm处光斑、20为波长125nm处光斑、21为波长140nm处光斑。所有光斑尺寸的RMS半径均小于150um，满足电离层探测的光学像质要求。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (5)

1.一种用于紫外高光谱相机的焦面分光方法，该方法基于紫外高光谱相机实现，该紫外高光谱相机包括：扫描镜(1)、望远镜(2)、光谱反射镜(3)、反射光栅(4)和光学透镜组(6)；
扫描镜(1)与望远镜(2)呈对角式交错设置，望远镜(2)位于扫描镜(1)的斜下方；望远镜(2)与光谱反射镜(3)呈对角式交错设置，光谱反射镜(3)位于望远镜(2)的斜下方；扫描镜(1)、光谱反射镜(3)和光学透镜组(6)均位于同侧，而望远镜(2)位于相对侧；
该方法包括：
具有紫外波段的入射光线入射至扫描镜(1)，经扫描镜(1)反射至望远镜(2)，经望远镜(2)反射至光谱反射镜(3)，再经光谱反射镜(3)反射至反射光栅，在反射光栅处进行分光，形成80-140nm波段的光线和160-180nm波段的光线；
80-140nm波段的光线沿着光线传输路径反射至紫外探测器的像面上，进行成像，形成80-140nm波段焦面；
同时，160-180nm波段的光线，在其光线传输路径上通过光学透镜组(6)折射至紫外探测器的像面上，进行成像，形成160-180nm波段焦面；
80-140nm波段焦面和160-180nm波段焦面不在同一焦面位置。
2.根据权利要求1所述的用于紫外高光谱相机的焦面分光方法，其特征在于，所述方法还包括：
采用不同的紫外探测器同时分别采集80-140nm波段下的图像和160-180nm波段下的图像，并将采集到的两个波段图像拼接，获得双波段下的高光谱图像。
3.根据权利要求1所述的用于紫外高光谱相机的焦面分光方法，其特征在于，所述光学透镜组(6)包括依次顺序设置的第一氟化钙透镜(8)、第二氟化钙透镜(9)、第三氟化钙透镜(10)和氟化镁透镜(11)。
4.根据权利要求3所述的用于紫外高光谱相机的焦面分光方法，其特征在于，所述第一氟化钙透镜(8)、第二氟化钙透镜(9)、第三氟化钙透镜(10)和氟化镁透镜(11)的透镜表面均为全球面透镜。
5.根据权利要求3所述的用于紫外高光谱相机的焦面分光方法，其特征在于，所述第一氟化钙透镜(8)、第二氟化钙透镜(9)、第三氟化钙透镜(10)均采用氟化钙材料制成；所述氟化镁透镜(11)采用氟化镁材料制成。
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