一種星載成像光譜儀的分光系統(tǒng)及其分光方法技術(shù)方案

本發(fā)明專利技術(shù)公開了一種星載成像光譜儀的分光系統(tǒng)及其分光方法。從長度為60mm～120mm的狹縫入射的遠(yuǎn)心光線，經(jīng)彎月形透鏡折射和凹球面反射鏡反射后，以會(huì)聚光束的形式入射到凸球面光柵上；所述的會(huì)聚光束經(jīng)凸球面光柵衍射后實(shí)現(xiàn)光譜分光；分光后得到的發(fā)散光束依次通過凹球面反射鏡反射和彎月形透鏡折射，成像于像平面，實(shí)現(xiàn)光譜成像。本發(fā)明專利技術(shù)提供的分光系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)在于引入彎月形透鏡，減小傳統(tǒng)Offner結(jié)構(gòu)在長狹縫時(shí)的大像散，實(shí)現(xiàn)超長狹縫的光譜成像；光學(xué)元件滿足共軸對(duì)稱，譜線彎曲和梯形畸變小，能夠?qū)崿F(xiàn)高保真光譜成像；適用于超大幅寬、高空間分辨率、中高光譜分辨率的星載成像光譜儀進(jìn)行分光處理。

Spectral system of spaceborne imaging spectrometer and method for splitting the same

The invention discloses a light splitting system of a spaceborne imaging spectrometer and a method for splitting the same. From the length of 60mm ~ 120mm slit telecentric light, the meniscus lens and a concave spherical mirror, to form a convergent beam incident to the convex grating; convergent beam with convex spherical grating to achieve spectral light the divergent beam obtained after splitting; followed by concave spherical mirror and meniscus lens, imaging in the image plane, to achieve spectral imaging. The optical system provided by the invention is characterized by a meniscus lens, reduce the astigmatism of the traditional Offner structure in the long slot, realize long slit spectral imaging; optical elements meet coaxial symmetry, spectral line curvature and trapezoidal distortion is small, can achieve high fidelity spectral imaging; suitable for large width and high space in resolution, high spectral resolution spaceborne imaging spectrometer for optical processing.

【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
一種星載成像光譜儀的分光系統(tǒng)及其分光方法
本專利技術(shù)涉及一種適用于超大幅寬、高空間分辨率、中高光譜分辨率的星載成像光譜儀的分光裝置及其分光方法，屬于光譜成像

技術(shù)介紹
上世紀(jì)80年代，隨著對(duì)地觀測應(yīng)用的發(fā)展需要，成像光譜技術(shù)興起。它是綜合了空間成像技術(shù)和光譜成像技術(shù)的新興領(lǐng)域，極大地拓寬了人們?cè)诤教爝b感領(lǐng)域、農(nóng)林資源探測、礦物資源與地質(zhì)勘探、軍事偵測、生物醫(yī)療等方面的應(yīng)用范圍。成像光譜儀分光裝置結(jié)構(gòu)可分為色散型、干涉型等。傳統(tǒng)的色散型分光裝置結(jié)構(gòu)形式主要有：平面光柵Czerny-Turner型分光裝置、凸面光柵Offner型分光裝置、凹面光柵Dyson型分光裝置等。這些結(jié)構(gòu)在中短狹縫時(shí)能夠很好的滿足儀器指標(biāo)要求，但是對(duì)于需滿足超大幅寬、高空間分辨率要求的長狹縫系統(tǒng)而言，存在較大像差且光譜圖像易失真。只能采用視場拼接的方式，將長狹縫系統(tǒng)分為多個(gè)中短狹縫系統(tǒng)拼接而成，拼接后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)復(fù)雜，體積龐大。星載成像光譜儀和機(jī)載成像光譜儀一般對(duì)儀器的重量、體積等幾何物理量要求較高，過大的體積和重量導(dǎo)致儀器的生產(chǎn)、制造、發(fā)射等成本急劇增加，尤其是星載成像光譜儀，對(duì)儀器的重量和體積要求更為嚴(yán)格。現(xiàn)有文獻(xiàn)所報(bào)道的分光裝置中，多為中短狹縫系統(tǒng)，如文獻(xiàn)“小型Offner光譜成像系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”（鄭玉權(quán).[J].光學(xué)·精密工程,2005,13(6):650.）、“Offner成像光譜儀的設(shè)計(jì)方法”（佟亞軍,吳剛,周全,等.[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2010(4):1148-1152.）中的傳統(tǒng)凸面光柵Offner裝置，文獻(xiàn)“紅外成像光譜測量中Dyson光學(xué)系統(tǒng)的研究進(jìn)展”（劉玉娟,唐玉國,巴音,等.[J].光譜學(xué)與光譜分析,2012,32(2):548-552.）中的凹面光柵Dyson裝置、“星載車爾尼-特納型成像光譜儀像差校正的研究”（薛慶生,王淑榮,魯鳳芹.[J].光學(xué)學(xué)報(bào),2009,29(1):35-40.）及中國專利技術(shù)專利“.一種柱面消像散光柵色散性成像光譜儀光路結(jié)構(gòu).”（CN102183304A）中公開的平面光柵Czerny-Turner裝置，它們的狹縫長度都在30mm以內(nèi)，僅憑單臺(tái)分光系統(tǒng)難以滿足超大幅寬和高空間分辨率的應(yīng)用需求。目前，狹縫長度超過60mm的分光裝置未見報(bào)道。因此亟需設(shè)計(jì)一種緊湊的非拼接的超長狹縫分光裝置以滿足遙感應(yīng)用中對(duì)超大幅寬、高空間分辨率的需求。上世紀(jì)80年代末，Wynne提出在一比一成像的Offner中繼系統(tǒng)中置入彎月形透鏡，可補(bǔ)償大視場成像時(shí)的球差和像散，實(shí)現(xiàn)較好的成像質(zhì)量。在開啟對(duì)Offner型成像光譜儀的研究之后，不少學(xué)者又進(jìn)一步發(fā)展和完善了Offner-Wynne型分光裝置的理論，在成像光譜儀器的應(yīng)用中能夠獲得比傳統(tǒng)Offner裝置更緊湊的結(jié)構(gòu)和更優(yōu)的成像質(zhì)量，如文獻(xiàn)“CompactOffner–Wynneimagingspectrometers”（Prieto-BlancoX,delaFuenteR.[J].OpticsCommunications,2014,328:143-150.）中所闡述。同樣，現(xiàn)有技術(shù)均未涉及用于解決長狹縫分光系統(tǒng)的問題。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
本專利技術(shù)針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，提供一種具有狹縫超長、成像質(zhì)量良好、光譜分辨率較高、結(jié)構(gòu)緊湊、易于加工裝調(diào)特點(diǎn)，并能滿足超大幅寬、高空間分辨率星載成像光譜儀需求的分光系統(tǒng)及其分光方法。為實(shí)現(xiàn)上述專利技術(shù)目的技術(shù)方案是提供一種星載成像光譜儀的分光方法，從長度為60mm～120mm的狹縫入射的遠(yuǎn)心光線，經(jīng)彎月形透鏡折射和凹球面反射鏡反射后，以會(huì)聚光束的形式入射到凸球面光柵上；所述的會(huì)聚光束經(jīng)凸球面光柵衍射后實(shí)現(xiàn)光譜分光；分光后得到的發(fā)散光束依次通過凹球面反射鏡反射和彎月形透鏡折射，成像于像平面，實(shí)現(xiàn)光譜成像。本專利技術(shù)技術(shù)方案還包括一種星載成像光譜儀的分光系統(tǒng)，它的分光裝置采用凸面光柵Offner-Wynne型結(jié)構(gòu)，包括狹縫、彎月形透鏡、凹球面反射鏡）、凸球面光柵和像平面；所述的分光裝置在空間上關(guān)于凸球面光柵的主截面對(duì)稱；從狹縫入射的遠(yuǎn)心光線經(jīng)彎月形透鏡折射、球面反射鏡反射后，光束會(huì)聚入射到凸球面光柵上，發(fā)散光束再依次經(jīng)凹球面反射鏡反射和彎月形透鏡折射，成像于像平面，實(shí)現(xiàn)光譜成像；所述狹縫長度的取值范圍為60mm～120mm。在本專利技術(shù)技術(shù)方案中，凸球面光柵與彎月形透鏡的后表面重合，且曲率相等。所述凸球面光柵為直線型或曲線型等間距槽光柵。所述分光裝置的色散寬度與狹縫的長度之比為1/50～1/2.5。所述分光裝置F數(shù)的取值范圍為3～8。所述凹球面反射鏡與凸球面光柵的曲率半徑之比為1.9:1～2.2：1。所述彎月形透鏡的前表面與后表面的曲率半徑之比為1:1.3～1：1。所述凹球面反射鏡和凸球面光柵的表面，鍍有高反射率金屬-介質(zhì)膜。所述彎月形透鏡的前表面和后表面，鍍有高透射率消偏振介質(zhì)膜。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本專利技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)在于：1、本專利技術(shù)提供的的分光方法，采用狹縫超長，能夠滿足超大幅寬、高空間分辨率下的對(duì)地光譜成像，且光譜圖像像差小，保真度高。2、光譜分辨率相對(duì)較高，光學(xué)元件少，體積小，重量輕，結(jié)構(gòu)緊湊。3、分光裝置中彎月形透鏡、凹球面反射鏡和凸球面光柵均同軸，易于加工裝調(diào)。附圖說明圖1是本專利技術(shù)提供的超長狹縫凸面光柵Offner-Wynne型分光裝置的光路主視圖；圖2是本專利技術(shù)提供的超長狹縫凸面光柵Offner-Wynne型分光裝置的光路俯視圖；圖3是本專利技術(shù)提供的超長狹縫凸面光柵Offner-Wynne型分光裝置的光學(xué)系統(tǒng)元件左視圖；圖4是本專利技術(shù)實(shí)施例提供的一種超長狹縫凸面光柵Offner-Wynne型分光裝置的調(diào)制傳遞函數(shù)曲線；圖5是本專利技術(shù)實(shí)施例提供的超長狹縫凸面光柵Offner-Wynne型分光裝置的光線追跡點(diǎn)列圖。圖中，1、入射狹縫；2、彎月形透鏡；2-1、彎月形透鏡的前表面；2-2、彎月形透鏡的后表面；3、凹球面反射鏡；4、凸球面光柵；5、像平面；6、凸球面光柵的主截面。具體實(shí)施方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本專利技術(shù)技術(shù)方案作進(jìn)一步描述。實(shí)施例1本實(shí)施例提供一種星載成像光譜儀的分光系統(tǒng)及其分光方法。分光系統(tǒng)采用超長狹縫凸面光柵Offner型結(jié)構(gòu)的分光裝置。參見附圖1，它是本實(shí)施例提供的一種超長狹縫凸面光柵Offner型分光裝置的光路主視圖；它包括：超長入射狹縫1、彎月形透鏡2、凹球面反射鏡3、凸球面光柵4和像平面5；2-1為所述彎月形透鏡2的前表面，2-2為所述彎月形透鏡2的后表面；凹球面反射鏡3和凸球面光柵4表面均鍍高反射率金屬-介質(zhì)膜，彎月形透鏡2的前、后表面均鍍高透射率消偏振介質(zhì)膜。入射狹縫1的長度方向和凸球面光柵4的刻線方向均垂直于紙面；凸球面光柵4與彎月形透鏡后表面2-2重合且曲率相等。成像光束由入射狹縫1進(jìn)入系統(tǒng)，分別經(jīng)彎月形透鏡2折射和球面反射鏡3反射后，以會(huì)聚光束的形式入射到所述凸球面光柵4上；經(jīng)過凸球面光柵4衍射后實(shí)現(xiàn)光譜分光，同時(shí)將會(huì)聚光束變?yōu)榘l(fā)散光束；最后由所述凹球面反射鏡3和彎月形透鏡2將分光后的光束成像至像平面5上，形成色散譜線，實(shí)現(xiàn)光譜成像。凸球面光柵4為直線型或曲線型等間距槽光柵，入射光柵的中心視場主光線和光柵衍射后的中心視場主光線均在光柵主截面即紙面內(nèi)。彎月形透鏡2、凹球面反射鏡3與凸球面光柵4共軸；入射狹縫1和像平面本文檔來自技高網(wǎng)...

【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種星載成像光譜儀的分光方法，其特征在于：從長度為60mm～120mm的狹縫入射的遠(yuǎn)心光線，經(jīng)彎月形透鏡折射和凹球面反射鏡反射后，以會(huì)聚光束的形式入射到凸球面光柵上；所述的會(huì)聚光束經(jīng)凸球面光柵衍射后實(shí)現(xiàn)光譜分光；分光后得到的發(fā)散光束依次通過凹球面反射鏡反射和彎月形透鏡折射，成像于像平面，實(shí)現(xiàn)光譜成像。

【技術(shù)特征摘要】
1.一種星載成像光譜儀的分光方法，其特征在于：從長度為60mm～120mm的狹縫入射的遠(yuǎn)心光線，經(jīng)彎月形透鏡折射和凹球面反射鏡反射后，以會(huì)聚光束的形式入射到凸球面光柵上；所述的會(huì)聚光束經(jīng)凸球面光柵衍射后實(shí)現(xiàn)光譜分光；分光后得到的發(fā)散光束依次通過凹球面反射鏡反射和彎月形透鏡折射，成像于像平面，實(shí)現(xiàn)光譜成像。2.一種星載成像光譜儀的分光系統(tǒng)，其特征在于：它的分光裝置采用凸面光柵Offner-Wynne型結(jié)構(gòu)，包括入射狹縫（1）、彎月形透鏡（2）、凹球面反射鏡（3）、凸球面光柵（4）和像平面（5）；所述的分光裝置在空間上關(guān)于凸球面光柵（4）的主截面（6）對(duì)稱；從狹縫（1）入射的遠(yuǎn)心光線經(jīng)彎月形透鏡（2）折射、球面反射鏡（3）反射后，光束會(huì)聚入射到凸球面光柵（4）上，發(fā)散光束再依次經(jīng)凹球面反射鏡（3）反射和彎月形透鏡（2）折射，成像于像平面（5），實(shí)現(xiàn)光譜成像；所述狹縫長度的取值范圍為60mm～120mm。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的一種星載成像光譜儀的分光系統(tǒng)，其特征在于：凸球面光柵（4）與彎月形透鏡（2）的后表面（2-2...

【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：朱嘉誠，沈?yàn)槊?/a>，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：蘇州大學(xué)，
類型：發(fā)明
國別省市：江蘇,32