一种星载成像光谱仪的分光系统及其分光方法技术方案

本发明专利技术公开了一种星载成像光谱仪的分光系统及其分光方法。从长度为60mm～120mm的狭缝入射的远心光线，经弯月形透镜折射和凹球面反射镜反射后，以会聚光束的形式入射到凸球面光栅上；所述的会聚光束经凸球面光栅衍射后实现光谱分光；分光后得到的发散光束依次通过凹球面反射镜反射和弯月形透镜折射，成像于像平面，实现光谱成像。本发明专利技术提供的分光系统，其结构特点在于引入弯月形透镜，减小传统Offner结构在长狭缝时的大像散，实现超长狭缝的光谱成像；光学元件满足共轴对称，谱线弯曲和梯形畸变小，能够实现高保真光谱成像；适用于超大幅宽、高空间分辨率、中高光谱分辨率的星载成像光谱仪进行分光处理。

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.

【技术实现步骤摘要】
一种星载成像光谱仪的分光系统及其分光方法
本专利技术涉及一种适用于超大幅宽、高空间分辨率、中高光谱分辨率的星载成像光谱仪的分光装置及其分光方法，属于光谱成像

技术介绍
上世纪80年代，随着对地观测应用的发展需要，成像光谱技术兴起。它是综合了空间成像技术和光谱成像技术的新兴领域，极大地拓宽了人们在航天遥感领域、农林资源探测、矿物资源与地质勘探、军事侦测、生物医疗等方面的应用范围。成像光谱仪分光装置结构可分为色散型、干涉型等。传统的色散型分光装置结构形式主要有：平面光栅Czerny-Turner型分光装置、凸面光栅Offner型分光装置、凹面光栅Dyson型分光装置等。这些结构在中短狭缝时能够很好的满足仪器指标要求，但是对于需满足超大幅宽、高空间分辨率要求的长狭缝系统而言，存在较大像差且光谱图像易失真。只能采用视场拼接的方式，将长狭缝系统分为多个中短狭缝系统拼接而成，拼接后的系统结构复杂，体积庞大。星载成像光谱仪和机载成像光谱仪一般对仪器的重量、体积等几何物理量要求较高，过大的体积和重量导致仪器的生产、制造、发射等成本急剧增加，尤其是星载成像光谱仪，对仪器的重量和体积要求更为严格。现有文献所报道的分光装置中，多为中短狭缝系统，如文献“小型Offner光谱成像系统的设计”（郑玉权.[J].光学·精密工程,2005,13(6):650.）、“Offner成像光谱仪的设计方法”（佟亚军,吴刚,周全,等.[J].光学学报,2010(4):1148-1152.）中的传统凸面光栅Offner装置，文献“红外成像光谱测量中Dyson光学系统的研究进展”（刘玉娟,唐玉国,巴音,等.[J].光谱学与光谱分析,2012,32(2):548-552.）中的凹面光栅Dyson装置、“星载车尔尼-特纳型成像光谱仪像差校正的研究”（薛庆生,王淑荣,鲁凤芹.[J].光学学报,2009,29(1):35-40.）及中国专利技术专利“.一种柱面消像散光栅色散性成像光谱仪光路结构.”（CN102183304A）中公开的平面光栅Czerny-Turner装置，它们的狭缝长度都在30mm以内，仅凭单台分光系统难以满足超大幅宽和高空间分辨率的应用需求。目前，狭缝长度超过60mm的分光装置未见报道。因此亟需设计一种紧凑的非拼接的超长狭缝分光装置以满足遥感应用中对超大幅宽、高空间分辨率的需求。上世纪80年代末，Wynne提出在一比一成像的Offner中继系统中置入弯月形透镜，可补偿大视场成像时的球差和像散，实现较好的成像质量。在开启对Offner型成像光谱仪的研究之后，不少学者又进一步发展和完善了Offner-Wynne型分光装置的理论，在成像光谱仪器的应用中能够获得比传统Offner装置更紧凑的结构和更优的成像质量，如文献“CompactOffner–Wynneimagingspectrometers”（Prieto-BlancoX,delaFuenteR.[J].OpticsCommunications,2014,328:143-150.）中所阐述。同样，现有技术均未涉及用于解决长狭缝分光系统的问题。
技术实现思路
本专利技术针对现有技术存在的不足，提供一种具有狭缝超长、成像质量良好、光谱分辨率较高、结构紧凑、易于加工装调特点，并能满足超大幅宽、高空间分辨率星载成像光谱仪需求的分光系统及其分光方法。为实现上述专利技术目的技术方案是提供一种星载成像光谱仪的分光方法，从长度为60mm～120mm的狭缝入射的远心光线，经弯月形透镜折射和凹球面反射镜反射后，以会聚光束的形式入射到凸球面光栅上；所述的会聚光束经凸球面光栅衍射后实现光谱分光；分光后得到的发散光束依次通过凹球面反射镜反射和弯月形透镜折射，成像于像平面，实现光谱成像。本专利技术技术方案还包括一种星载成像光谱仪的分光系统，它的分光装置采用凸面光栅Offner-Wynne型结构，包括狭缝、弯月形透镜、凹球面反射镜）、凸球面光栅和像平面；所述的分光装置在空间上关于凸球面光栅的主截面对称；从狭缝入射的远心光线经弯月形透镜折射、球面反射镜反射后，光束会聚入射到凸球面光栅上，发散光束再依次经凹球面反射镜反射和弯月形透镜折射，成像于像平面，实现光谱成像；所述狭缝长度的取值范围为60mm～120mm。在本专利技术技术方案中，凸球面光栅与弯月形透镜的后表面重合，且曲率相等。所述凸球面光栅为直线型或曲线型等间距槽光栅。所述分光装置的色散宽度与狭缝的长度之比为1/50～1/2.5。所述分光装置F数的取值范围为3～8。所述凹球面反射镜与凸球面光栅的曲率半径之比为1.9:1～2.2：1。所述弯月形透镜的前表面与后表面的曲率半径之比为1:1.3～1：1。所述凹球面反射镜和凸球面光栅的表面，镀有高反射率金属-介质膜。所述弯月形透镜的前表面和后表面，镀有高透射率消偏振介质膜。与现有技术相比，本专利技术的优点在于：1、本专利技术提供的的分光方法，采用狭缝超长，能够满足超大幅宽、高空间分辨率下的对地光谱成像，且光谱图像像差小，保真度高。2、光谱分辨率相对较高，光学元件少，体积小，重量轻，结构紧凑。3、分光装置中弯月形透镜、凹球面反射镜和凸球面光栅均同轴，易于加工装调。附图说明图1是本专利技术提供的超长狭缝凸面光栅Offner-Wynne型分光装置的光路主视图；图2是本专利技术提供的超长狭缝凸面光栅Offner-Wynne型分光装置的光路俯视图；图3是本专利技术提供的超长狭缝凸面光栅Offner-Wynne型分光装置的光学系统元件左视图；图4是本专利技术实施例提供的一种超长狭缝凸面光栅Offner-Wynne型分光装置的调制传递函数曲线；图5是本专利技术实施例提供的超长狭缝凸面光栅Offner-Wynne型分光装置的光线追迹点列图。图中，1、入射狭缝；2、弯月形透镜；2-1、弯月形透镜的前表面；2-2、弯月形透镜的后表面；3、凹球面反射镜；4、凸球面光栅；5、像平面；6、凸球面光栅的主截面。具体实施方式下面结合附图和实施例对本专利技术技术方案作进一步描述。实施例1本实施例提供一种星载成像光谱仪的分光系统及其分光方法。分光系统采用超长狭缝凸面光栅Offner型结构的分光装置。参见附图1，它是本实施例提供的一种超长狭缝凸面光栅Offner型分光装置的光路主视图；它包括：超长入射狭缝1、弯月形透镜2、凹球面反射镜3、凸球面光栅4和像平面5；2-1为所述弯月形透镜2的前表面，2-2为所述弯月形透镜2的后表面；凹球面反射镜3和凸球面光栅4表面均镀高反射率金属-介质膜，弯月形透镜2的前、后表面均镀高透射率消偏振介质膜。入射狭缝1的长度方向和凸球面光栅4的刻线方向均垂直于纸面；凸球面光栅4与弯月形透镜后表面2-2重合且曲率相等。成像光束由入射狭缝1进入系统，分别经弯月形透镜2折射和球面反射镜3反射后，以会聚光束的形式入射到所述凸球面光栅4上；经过凸球面光栅4衍射后实现光谱分光，同时将会聚光束变为发散光束；最后由所述凹球面反射镜3和弯月形透镜2将分光后的光束成像至像平面5上，形成色散谱线，实现光谱成像。凸球面光栅4为直线型或曲线型等间距槽光栅，入射光栅的中心视场主光线和光栅衍射后的中心视场主光线均在光栅主截面即纸面内。弯月形透镜2、凹球面反射镜3与凸球面光栅4共轴；入射狭缝1和像平面本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种星载成像光谱仪的分光方法，其特征在于：从长度为60mm～120mm的狭缝入射的远心光线，经弯月形透镜折射和凹球面反射镜反射后，以会聚光束的形式入射到凸球面光栅上；所述的会聚光束经凸球面光栅衍射后实现光谱分光；分光后得到的发散光束依次通过凹球面反射镜反射和弯月形透镜折射，成像于像平面，实现光谱成像。

【技术特征摘要】
1.一种星载成像光谱仪的分光方法，其特征在于：从长度为60mm～120mm的狭缝入射的远心光线，经弯月形透镜折射和凹球面反射镜反射后，以会聚光束的形式入射到凸球面光栅上；所述的会聚光束经凸球面光栅衍射后实现光谱分光；分光后得到的发散光束依次通过凹球面反射镜反射和弯月形透镜折射，成像于像平面，实现光谱成像。2.一种星载成像光谱仪的分光系统，其特征在于：它的分光装置采用凸面光栅Offner-Wynne型结构，包括入射狭缝（1）、弯月形透镜（2）、凹球面反射镜（3）、凸球面光栅（4）和像平面（5）；所述的分光装置在空间上关于凸球面光栅（4）的主截面（6）对称；从狭缝（1）入射的远心光线经弯月形透镜（2）折射、球面反射镜（3）反射后，光束会聚入射到凸球面光栅（4）上，发散光束再依次经凹球面反射镜（3）反射和弯月形透镜（2）折射，成像于像平面（5），实现光谱成像；所述狭缝长度的取值范围为60mm～120mm。3.根据权利要求2所述的一种星载成像光谱仪的分光系统，其特征在于：凸球面光栅（4）与弯月形透镜（2）的后表面（2-2...

【专利技术属性】
技术研发人员：朱嘉诚，沈为民，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32