CN203249692U - 一种用于高分辨率宽视场的推帚式光谱成像仪光学系统 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开一种高分辨率宽视场的推帚式光谱成像仪光学系统，由一个离轴三反射镜望远物镜和一个基于棱镜－光栅－棱镜分光的光谱仪构成，其中基于棱镜－光栅－棱镜分光的光谱仪包含狭缝、准直镜、色散器件、会聚镜和面阵探测器，视场光栏狭缝置于望远物镜的焦面上。本专利可以根据实际需求设计成多个通道共用一个望远物镜，地表目标进入望远物镜中，在后方经分色镜分光，各自通过光谱仪成像，因此根据需要可以实现不同的光谱宽度，同时也使系统更加紧凑、轻量化，灵活且实用性强。通过本实用新型可有效解决当前推帚式成像光谱仪普遍视场不大，分辨率低、作业效率不高的问题，设计出高分辨率宽视场的光谱成像系统。

Description

一种用于高分辨率宽视场的推帚式光谱成像仪光学系统

技术领域

本专利涉及一种超光谱成像仪实现高分辨率及宽视场的改进设计，特别是关于一种用于星载、机载推帚式超光谱成像仪的高分辨率、宽视场光学系统设计。

背景技术

高光谱成像仪是20世纪80年代开始在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的新一代空间光学遥感仪器，它是遥感技术的进步和发展，能够以高光谱分辨力获取景物和目标的超多谱段图像，在陆地、大气和海洋观测中正在得到广泛的应用.

推帚式高光谱成像仪在获取地物目标空间信息的同时，提供光谱维信息。通过物质特有的光谱特征揭示物质的存在状况以及成分，达到从空间识别地球表面物质的遥感目标。其工作原理是：地物辐射经主光学镜头会聚，成像在狭缝平面上，入射狭缝使一个穿轨方向地物条带的像通过，其它部分被挡掉。通过狭缝（视场光阑）的像发出的光线经过分光系统，在垂直条带方向按光谱色散并成像在CCD光敏面上。光敏面的水平方向平行于狭缝，称空间维，每一行水平光敏面元上是地物条带一个光谱通道的像；光敏面的垂直方向是色散方向，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。

推帚式高光谱成像仪的工作波段宽、分辨率高，一般覆盖0．4～2．5μm，地面像元分辨力从几米至几十米，光谱分辨力从几纳米至几十纳米。目前国际上具有代表性的高光谱成像仪有美国TRW公司研制的Hyperion，视场0．624°，刈幅宽度7．5km；美国海军NEMO卫星的主载荷COIS，视场2.5°，刈幅宽度30km；英国Sira公司研制的CHRIS，视场角0．553°，刈幅宽度13km。这些高光谱成像仪载荷在空间遥感中发挥了重要作用，但是，其缺点是视场角较小，刈幅宽度小，分辨力高。随着空间遥感应用的不断深入，对高光谱成像仪的要求也越来越高，要求在大视场的条件下获得高分辨力，因为视场越大则刈幅宽度越大，仪器的回访周期就越小；分辨力越高，可在多项应用中提供更加丰富的数据和研究方法。因此大视场、高分辨率星载/机载高光谱成像仪成为空间遥感的迫切需求，而现有的小视场成像光谱仪不能满足要求。

推帚式高光谱成像仪光学系统由望远系统和光谱成像系统组成。对于传统的望远系统设计，有折射系统和反射系统2种选择，其中折射系统需要采用特殊的材料和结构来消除二级光谱色差，反射系统不产生色差，孔径、焦距都可以做得很大，且宜于轻量化．现有的两反系统虽然结构形式简单，但系统自变量少，只有轴上点成像符合理想，视场不能做得很大．不能满足大视场、大相对孔径的要求．在三反系统中，同轴三反射系统虽然结构比较简单，但成像质量受次镜的遮拦影响较大，辐射利用率也不高，降低了光学系统的分辨率，一方面不能有很大的视场，另一方面还要增加口径来保证有一定的接收辐射能量；光谱成像系统的光学设计主要涉及的是分光系统的设计，目前主要的光谱分光方法有棱镜分光、光栅分光、傅立叶变换、声光可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片、渐变滤光片等。棱镜和光栅分光技术出现较早、技术比较成熟，绝大多数航空和航天成像光谱仪均采用了此类分光技术，采用棱镜分光的缺点在于线色散率和波长有关，将导致面阵CCD每行光谱采样的间隔不一样，不利于通道带宽编程选择；采用光栅分光方式，在入射角度很大的情况下，其光谱的线色散率与波长无关，能满足分光系统线色散率为定值的要求，并且具有比棱镜更高的光谱分辨率。但是在传统的透射光栅中，衍射图样无色散的零级主极大占有总光能的很大一部分，光能分散在各级光谱中，致使衍射效率低。

发明内容

综上所述，如何克服已有技术由于光学系统的视场限制、成像质量的影响以及色散器件制造的难度，而导致的当前成像光谱仪视场小，分辨率不高的缺陷，乃是本专利所要解决的技术问题。因此，本专利的目的在于提供一种高分辨率、宽视场的光学系统设计，以便解决推帚式高光谱成像仪的上述相关问题。

本专利的技术解决思路如下：

系统包括指向镜1、离轴三反射镜望远物镜2、折转镜3、准直镜4、狭缝5、分色镜6、可见近红外PGP成像光谱仪7和短波红外PGP成像光谱仪8；来自条带型地表目标的辐射经指向镜1进入离轴三反射镜望远物镜2，成像在置于望远物镜焦面上的狭缝5上，通过狭缝5的连续光谱辐射，由准直镜4准直之后，经折转镜折转到望远物镜的后方由分色镜6分光成可见近红外和短波红外两个通道的光谱辐射，两个通道的光谱辐射分别进入可见近红外PGP成像光谱仪7和短波红外PGP成像光谱仪8实现成像。

系统具体设计如下：

1、望远物镜的设计

物镜的设计遵循仪器轻小紧凑、与光谱仪光瞳匹配的原则，设计为离轴三反射镜(TMA)望远物镜形式，并且设计成准像方远心结构。主镜和三镜设计成二次非球面，次镜为凸球面。设计过程中，除考虑结构排布是否相干扰，绩优函数中只需要设置像质约束来优化即可。由于光谱仪用的是离轴视场，为了避免结构件相互干扰，望远镜选用了较大的离轴视场，由于像面畸变随着视场的增大而加大。但是设计中不需要考虑这种畸变的消除，通过简易图象处理技术可以消除这一影响。

设计中需要注意的是：为了能与后面光谱仪在光瞳位置和F数上都能完好匹配，因此在望远物镜的设计中，F数设计的要比光谱仪和成像光谱仪系统的F数稍大，避免对接光谱仪后产生渐晕而损失能量。由于F数稍微减小，因此，在设计中对像质的影响并不大。

2、光谱仪设计

光谱仪选用棱镜－光栅－棱镜（PGP）的分光方式，其原理如下：在全息透射光栅前面加一块折转棱镜，使主光轴不偏转的情况下，满足布拉格条件，使衍射效率最高；在光栅后面再加一块棱镜，目的是使光束经组件分光后，其光谱的长波和短波光束相对于光轴成中心对称。PGP前置准直镜为PGP器件提供准直光，后置会聚镜将地表目标分光成像。

光谱仪设计中，分别设计出准直镜和会聚镜，单独优化出直视型的PGP分光器件，将三者对接组成光谱仪的初始结构，设定色畸变(keystone)和谱线弯曲（smile）绩优函数约束操作数，进行光谱仪的优化。设计后光路倾斜以校正光谱仪残余的色畸变(keystone)和谱线弯曲（smile），并且使中心波长狭缝像成像在探测器光谱维的中间行。

分光器件几何参数还有衍射特性的设计，取决于成像光谱仪光学系统。PGP中的体相位透射光栅的衍射级次为-1级，根据波段数和光谱采样率以及会聚镜的焦距等参数，确定光栅和棱镜的参数。

3、光学系统集成

光学系统的望远物镜和PGP光谱仪根据不同的绩优函数操作分别独立设计，然后进行光学系统集成。光谱仪设计中，既要考虑到成像质量，也要考虑色畸变(keystone)和谱线弯曲（smile）的光谱畸变；而望远物镜中只需要考虑成像质量。连接两者的是，光瞳需要实现准匹配，即望远物镜的出瞳要与光谱仪的入瞳准匹配。系统集成之后，系统光栏可以在望远物镜的次镜上，也可以在PGP分光器件的光栅前表面上。

如上所述，根据本专利的一种高分辨率宽视场的推帚式光谱成像仪光学系统，其包括指向镜1、离轴三反射镜望远物镜2、折转镜3、准直镜4、狭缝5、分色镜6、可见近红外PGP成像光谱仪7、短波红外PGP成像光谱仪8。来自条带型地表目标的辐射一起进入三反射式望远物镜中，成像在置于望远物镜焦面上的狭缝上，通过狭缝的连续光谱辐射，由准直镜准之后，经折转镜折转到望远物镜的后方经由分色镜分光成可见近红外和短波红外两个通道，分别进入可见近红外PGP成像光谱仪和短波红外PGP成像光谱仪实现成像。

所述的离轴三反射镜（TMA）望远系统采用视场离轴的三反系统，用无中间像的共轴三反系统作为初始结构，主镜和三镜设计成二次非球面，次镜为凸球面，具有较强的像差校正能力，孔径光阑放在次镜上，通过倾斜视场来实现无中心遮拦，使光学系统比较对称，可以设计成很大的视场角，成像质量好。

所述的离轴三反射镜（TMA）望远系统具有3个半径、2个间隔和3个二次曲面系数共8个变量，在满足焦距、球差、彗差、像散、场曲的条件下，还剩余3个可变参数满足光学系统结构要求，实现完全无遮拦，解决了光学系统视场问题，同时极大地改善了系统的成像质量。

所述的棱镜-全息透射光栅-棱镜（PGP）分光方式是一种较为新颖的组合分光技术，能保证整个分光系统为同轴系统，有利于光校和系统的结构设计，这种分光方式能达到很高的衍射效率和光谱的线性度，采用折射光学元件并且光学系统同轴，色散图像的空间和光谱维几乎没有几何象差，对入射光线的偏振特性不敏感。

所述的光学系统的望远物镜和PGP光谱仪分别独立设计后，进行光学系统集成，需要望远物镜的出瞳与光谱仪的入瞳准匹配，系统集成之后，系统光栏可以在望远物镜的次镜上，也可以在PGP分光器件的光栅前表面上。系统集成过程中，系统像质良好，不需要再进行系统优化。

所述的光学系统可以根据实际需求设计成多个通道共用一个望远物镜，地表目标进入望远物镜中，在后方经分色镜分光，各自通过光谱仪成像。因此根据需要可以实现不同的光谱宽度，同时也使系统更加紧凑、轻量化，灵活且实用性强。

本专利的优点在于：

离轴三反望远系统不仅能够解决中心遮拦问题，实现完全无遮拦，解决了光学系统视场问题，可以设计成大视场，同时视场离轴的三反系统，具有较强的像差校正能力，极大地改善了系统的成像质量，比较适合大视场、高分辨率的要求；采用的棱镜-全息透射光栅-棱镜（PGP）分光方式能保证整个分光系统为同轴系统，能达到很高的衍射效率和光谱的线性度，色散图像的空间和光谱维几乎没有几何象差，为后期图像处理减少了难度；系统集成过程中，还可以根据实际需求，采用多个通道共用一个望远系统，灵活且实用性强，同时也使仪器也更加紧凑、轻量化。

附图说明

图1为本专利实施例两通道推帚式光谱成像仪的光路示意图；

1——指向镜；

2——离轴三反射镜望远物镜；

3——折转镜；

4——准直镜；

5——狭缝；

6——分色镜；

7——可见近红外PGP成像光谱仪；

8——短波红外PGP成像光谱仪。

具体实施方式

下面结合图给出本专利一个较好实施例，主要作进一步详细说明本专利的特点，而非用来限定本专利的范围：

图1是本专利具体实施例的推帚式光谱成像仪的光路图。该推帚式光谱成像仪设计了可见近红外和短波红外两个通道，两通道共用一个离轴三反射式望远物镜,来自地物目标的可见近红外及短波红外辐射信号经过离轴三反射主光学系统、狭缝、准直镜、转折镜后，由分色镜分成可见近红外波段和短波红外波段。可见近红外波段透射进入可见近红外通道经PGP分光组件分光后会聚分光成像到可见近红外探测器上。短波红外波段透射进入短波红外通道经PGP分光组件分光后会聚分光成像到短波红外探测器上。光谱范围为450～2500nm,其中可见近红外为450～950nm，短波红外为950～2500nm，全视场为23.9°，F数为3.4，狭缝尺寸为16×30μm，可见近红外的光谱分辨率为4.6nm，短波红外的光谱分辨率为6.1nm，像元尺寸可见近红外为16μm，短波红外为30μm，穿轨方向瞬时视场可见近红外为0.6mrad，短波红外为1.2mrad。在望远物镜的设计中，F数设计的要比光谱仪和成像光谱仪系统的F数稍大。成像光谱仪的F数为3.4，望远物镜的F数设计为3左右，避免对接光谱仪后产生渐晕而损失能量；线视场为±12°，满足系统全视场23.9°；全视场内物镜的弥散斑RMS半径在3μm以内，远小于可见近红外的探测器像元16μm和短波红外探测器的像元30μm。这样，可见近红外和短波红外在共用一个望远镜的条件下形成一个宽谱段的光谱成像仪，每个成像仪的视场满足24°，两个成像仪通过视场拼接，实现42°大视场，在保证空间分辨率的情况下，提高了总视场角。

Claims (1)

1.一种高分辨率宽视场的推帚式光谱成像仪光学系统，包括指向镜（1）、离轴三反射镜望远物镜（2）、折转镜（3）、准直镜（4）、狭缝（5）、分色镜（6）、可见近红外PGP成像光谱仪（7）和短波红外PGP成像光谱仪（8）；其特征在于：来自条带型地表目标的辐射经指向镜（1）进入离轴三反射镜望远物镜（2），成像在置于望远物镜焦面上的狭缝（5）上，通过狭缝（5）的连续光谱辐射，由准直镜（4）准直之后，经折转镜折转到望远物镜的后方由分色镜（6）分光成可见近红外和短波红外两个通道的光谱辐射，两个通道的光谱辐射分别进入可见近红外PGP成像光谱仪（7）和短波红外PGP成像光谱仪（8）实现成像。

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