一種雙入射狹縫高解析度成像光譜系統的製作方法

2023-12-01 20:27:16 1

本發明涉及一種雙縫入射成像光譜系統，特別涉及一種可以用於地面望遠鏡系統、星載、機載的光譜成像儀的高解析度、高像質、長狹縫、快速重訪時間的光學系統設計。技術背景光譜成像儀於20世紀80年代在多光譜遙感成像技術基礎上發展起來，能夠以高光譜解析度獲取景物和目標的超多譜段圖像，在大氣、海洋和陸地觀測中有著廣泛的應用。光譜成像儀是成像技術和光譜技術的有機結合，通過在連續成像空間上進行連續光譜測量對目標進行「定性、定量、定時、定位」分析和動態過程檢測，實現了獲得物體空間信息的同時可以得到目標的光譜信息。光譜成像系統中的分光模式有色散型和幹涉型，色散型所使用的色散元件主要有：色散稜鏡、幹涉濾光片、平面閃耀光柵等。稜鏡分光光譜成像儀會形成譜線彎曲；幹涉分光光譜成像儀的力學、熱學穩定性對幹涉譜的準確性影響較大，而且在軌光譜定標難度大。因此光柵色散成像光譜儀比稜鏡、濾波器、幹涉型等其他類型成像光譜儀具有顯著優點。傳統光柵色散型成像光譜儀的主要限制因素是當系統孔徑大時，會產生較大的光學畸變、高衍射級次的雜散光等，嚴重影響了光譜純度並限制了後期數據處理算法的精確度。凹面光柵因小巧緊湊常用於可攜式光譜儀，凸面光柵光譜儀因其對稱結構、全反射式和像場大等優點較多應用於航天高解析度高光譜成像系統中。1987年d.kwo首次提出了基於offner同心分光結構的凸面光柵成像光譜儀，該系統以凸面光柵為色散元件，結構簡單、易實現大孔徑。這種設計保證所有第三級像差為零，僅存在第五級像散。1999年，m.p.chrisp對系統進行了改進，顯著提高了凸面光柵成像光譜儀的成像質量。與傳統成像光譜儀相比，基於offner結構的凸面光柵成像光譜儀具有大孔徑、低光學畸變、結構簡單、易於實現小型化的特性，降低了成像光譜儀的設計難度和後端數據處理的複雜度，提高了成像光譜分析的準確度。美國nrl開發的一種高效推掃式高光譜成像儀philis，所用光譜儀為hyperspectmvm～15，波段為400～1000nm，地面採樣率為25m和130m，焦距為180mm。採用offner結構，選用1024×1024背照式ccd，光譜成像只利用了1024×512像元，每個像元分辨1.13nm光譜。在推掃成像光譜儀中，為了在保證信噪比的條件下實現高解析度和快速的重訪時間，往往需要較大的系統，以及更昂貴的費用。而在光纖成像光譜儀中，在保證各項性能指標不變的基礎上，擴大視場也必然會增加系統的體積以及費用。因此，當前各成像光譜儀難以同時滿足高光譜解析度、高像質、快速重訪時間、較低成本以及空間系統高集成化。技術實現要素：針對望遠鏡系統要求的高解析度、高像質、長狹縫、快速重訪時間，以及空間系統中高集成化的應用背景，本發明公開一種雙縫offner式成像光譜系統，以便解決上述相關問題。本發明通過以下技術方案實現：系統包括雙入射狹縫1、凹面反射主鏡2、凸面反射光柵3、凹面反射次鏡4、校正透鏡5、濾光片6、面陣探測器7，其特徵在於：所述的雙入射狹縫1對應兩個不同視場，材料為鋁合金6061；所述的凹面反射主鏡2、次鏡3的面型為球面；所述的凸面反射光柵3的面型為球面，系統光闌放在光柵上；所述的校正透鏡5為彎月形透鏡，材料為熔融石英；所述的面陣探測器7的像元尺寸12um，像元數為6k×6k。系統具體設計如下：1、入射狹縫元件的設計系統入射狹縫元件選用並列雙縫設計，雙縫尺寸相同，符合系統指標要求。雙縫間隔考慮探測器參數、系統光譜解析度以及系統尺寸，使透過雙縫的光束經過分光子系統後，展開的光譜無重疊。2、分光子系統的設計系統分光元件選用凸面反射光柵，凸面光柵綜合性較佳，色散線性有利於定量化應用；閃耀波長選擇與探測器響應、太陽光譜輻照度匹配設計可以獲得較好的探測靈敏度一致性；反射式結構比較容易實現焦面穩定性和輻射光譜穩定性，適合於空間環境應用。凸面光柵光譜儀因其對稱結構、全反射式和像場大等優點較多應用於航天高解析度高光譜成像系統中。分光子系統採用offner結構，基於offner同心結構的凸面光柵成像光譜儀的分光子系統由3個光學元件組成：2個凹球面反射鏡和1個凸面光柵。同時3個光學元件共球心，凸面光柵位於兩球面反射鏡之間，是分光子系統的關鍵元件，也是限制凸面光柵成像光譜儀效率的主要因素。經由望遠鏡或光纖束收集到的光束通過雙入射狹縫進入分光子系統，經凹面主鏡反射到凸面閃耀光柵表面，在光柵表面按波長色散後，經由凹面次鏡反射會聚至探測器。由此，面陣探測器獲取到的垂直光柵刻線的一維呈現的是兩個狹縫入射光束的兩組光譜信息，平行於光柵刻線的一維是與狹縫形狀相似的精細條紋；如果是光纖束入射，則平行於光柵刻線的一維是不同光纖對應的位置維。此外，在設計優化中，引入了一塊非球面彎月形透鏡，用於減小系統像差，光闌位於凸面反射光柵上。設計本身具有大孔徑、低光學畸變、結構簡單、易於實現小型化的特性，降低了成像光譜儀的設計難度和後端數據處理的複雜度，提高了成像光譜分析的準確度。分光器件的幾何參數還需要考慮衍射特性的設計，取決於光譜成像系統指標。本專利中，凸面反射光柵的衍射級次為-1級，光柵尺寸與刻線密度根據波段、光譜採樣率決定。3、探測子系統設計探測子系統包括濾光片和面陣探測器兩部分。由於系統工作波段為200nm～550nm，因此需要在探測器前裝置一塊馬賽克濾光片來消除400nm～550nm處200nm～275nm的二級衍射光譜。考慮到雙縫的展開光譜及解析度，面陣探測器像元尺寸12um，像元數為6k×6k。如上所述，根據本發明的一種雙入射高解析度光譜成像系統，其包括雙入射狹縫1、凹面反射主鏡2、凸面反射光柵3、凹面反射次鏡4、校正透鏡5、濾光片6、面陣探測器7。來自條帶型地表目標的輻射經前置望遠鏡進入系統，通過狹縫後的光譜輻射能量，經由主鏡反射至凸面反射光柵，由反射光柵分光，把不同狹縫的不同波長的光分開，再經次鏡反射會聚在面陣探測器7上，實現精密光譜成像。所述的雙縫入射高解析度光譜成像系統的f/5，光譜解析度為0.04nm；工作波長為200～550nm，體積小於70×400×1050mm3。與現有技術相比，本發明的優點在於：成像光譜系統在滿足大視場、高光譜解析度、高信噪比的前提下，雙縫入射可以滿足快速重訪時間、較低成本以及空間系統高集成化；基於offner結構的凸面光柵成像光譜系統可以實現大孔徑、低光學畸變、結構簡單、易於實現小型化。附圖說明圖1是本發明實施例所提供的雙縫高光譜成像系統的光路示意圖；圖2是本發明實施例所提供的雙縫高光譜成像系統組件示意圖；圖3是本發明實施例所提供的雙縫高光譜成像系統的狹縫元件結構示意圖；其中：1、雙入射狹縫；2、凹面反射主鏡；3、凸面反射光柵；4、凹面反射次鏡；5、校正透鏡；6、濾光片；7、面陣探測器。具體實施方式下面結合圖給出本發明一個較好的實施例，主要用作進一步詳細說明本發明的特點，而非用來限定本發明的範圍：圖1是本發明具體實施例的雙縫高光譜成像系統的光路示意圖。參見附圖1，來自目標的雙條帶型輻射信號經過前端望遠鏡系統後分別成像於視場光闌雙狹縫1上，透過雙狹縫1的輻射能量經由凹面反射主鏡2，反射到凸面反射光柵3上，把不同波長的光分開，不同波長的光線在凸面反射光柵3反射出後，沿著不同的角度反射至凹面反射次鏡4上，經由凹面反射次鏡4反射出，進入校正透鏡5，最終經過濾光片6匯聚到面陣探測器7的不同位置，實現譜線分離。面陣探測器7上顯示的是呈精細條紋狀的像，其中縫1的展開光譜位於探測器下半部分，縫2的展開光譜位於探測器上半部分。由於採用了offner結構，系統實現放大率為1:1的成像。圖2是上述光譜成像系統組件示意圖。參見附圖2，其中分光子系統由凹面反射主鏡2、凸面反射光柵3、凹面反射次鏡4、校正透鏡5構成；探測子系統由濾光片6、面陣探測器7構成。其中凸面反射光柵3的光柵常數為每毫米190線對。圖3是本發明具體實施例所提供的光譜成像系統中雙入射狹縫元件結構示意圖。參見附圖3，每個狹縫尺寸均為50mm×125um，狹縫間間隔為35mm，本專利中採用狹縫元件材料為鋁合金6061。系統工作波長為200nm～550nm，光譜範圍350nm，數值孔徑na為0.1，狹縫尺寸為50mm×125um，狹縫間間隔為35mm，光譜解析度達到0.04nm，探測器像元尺寸12um，像元數為6k×6k，系統放大率為1:1。全系統反射鏡面為全球面設計，材料為零膨脹微晶玻璃，校正透鏡材料為熔融石英。全視場內系統彌散斑rms半徑在5um以內，小於1/2探測器像元尺寸，系統體積為70×400×1050mm3。系統主要光學參數：光學元件曲率半徑(mm)直徑(mm)凹面反射主鏡1006.5232凸面反射光柵510.6106凹面反射次鏡987.9288.6校正透鏡497.1/547.7160系統保證了在工作波段內滿足高光譜解析度、高像質的前提下，同時實現快速重訪時間、較低成本以及空間系統高集成化設計。當前第1頁12