一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统技术方案

本发明专利技术公开了一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统，包括前置望远成像系统和Offner‑Littrow光谱成像系统。前置望远成像系统包括凹面反射镜、转折镜、主镜、次镜、分色片、退偏器和光阑；Offner‑Littrow光谱成像系统具体由滤光片、入射狭缝、探测器、凸面光栅、凹面反射镜和像差校正透镜构成；凹面反射镜将对地观测的光信息引入仪器，经折转镜、退偏器后，由主、次镜聚焦后，通过分色片形成两个独立光谱通道(300nm‑400nm)、(395nm‑500nm)进行探测。各波段光分别聚焦光谱仪入射狭缝，经滤光片后由像差校正透镜准直到凹面反射镜，通过凸面光栅分光反射至凹面反射镜，再经像差校正透镜聚焦到探测器上。本发明专利技术保证测量准确性，使整体光学系统体积紧凑。

An optical system of high resolution ultraviolet imaging spectrometer for earth observation with large field of view

【技术实现步骤摘要】
一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统
本专利技术属于一种光学测量方法领域，仪器通过探测地球大气或表面反射、散射的紫外/可见光辐射来解析痕量污染气体成分NO2、SO2、O3等的分布和变化。具体由前置望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统两部分组成，主要应用于星载或机载平台的高分辨率成像光谱仪探测。
技术介绍
本专利技术主要用于定量监测全球/区域痕量污染气体成分(O3、NO2、HCHO和SO2等)的分布和变化，获取大气痕量气体高光谱分辨率、高空间分辨率水平分布，监测我国上空及全球空气质量变化以及污染气体的分布输运过程，分析人类活动排放和自然排放过程对大气组成成分和全球气候变化的影响。仪器的前置望远成像光学系统没有采用常用的摆扫机构，而是利用包括两片离轴非球面反射镜构成的宽视场前置望远镜，在穿轨方向形成114°大视场。仪器在太阳同步轨道进行天底观测、面阵推扫，幅宽为2600km，可近似实现一日全球覆盖监测。自地球大气或地表散射、反射的光信息通过系统的前置望远成像系统会聚后，利用分色片进行分光，将各通道对应谱段的光会聚进入相应通道的Offner-Littrow结构成像光谱仪，在光谱仪内色散成像到面阵CCD探测器上，从而获取高光谱分辨率、高空间分辨率的光谱信息。对地观测紫外成像光谱仪的分辨率要求高，光学系统的焦距就会长，若用相对口径大的光学系统来满足所要求的辐射能量、仪器的体积和重量就增加很多，可能超出卫星资源承受范围。这里采用镜面数少的望远镜和Littrow-0ffner改进结构的凸面光栅光谱仪，组成的光学结构能提高系统总光学效率，并可以减少口径。前置望远成像系统是将地物目标的条带成像在Offner-Littrow光谱成像系统的入射狭缝上。光谱成像系统对入射狭缝进行色散，然后按不同波长成像在探测器的不同位置。通过适当选择光谱成像系统的色散系数可以获得不同光谱分辨率的图像。光学系统设计不仅考虑工作波长范围、性能、体积和质量等问题，还要考虑空间应用环境下系统的工作稳定性问题。由于透射材料本身的温度稳定性差，同时紫外玻璃材料有限，因此前置望远成像系统采用反射式方案。通过综合考虑目前光学设计和加工技术水平，宽视场、高分辨率望远成像系统的设计方案如下：采用离轴两镜消像散结构设计实现114°宽视场探测，同时利用分色片进行分光，形成两个独立的光谱探测通道。前置望远成像系统分别将光谱信息(300-400)nm和(395-500)nm的光谱信息会聚进入相应通道的光谱仪入射狭缝。成像光谱仪采用Offner-Littrow结构设计，实现高光谱、空间分辨率，并且该结构易于实现小型化，适应空间技术。前置望远成像系统的会聚光最后进入各通道成像光谱仪，色散并成像到面阵CCD探测器，从而获取高光谱分辨率的光谱成像信息。光谱波段指标要求为(300-500)nm，光谱分辨率≤0.6nm，空间分辨率优于7㎞。考虑到在这个波段辐照强度变化大，且光谱分辨率要求高，采用两通道设计方案，同时考虑到应用目标痕量气体的反演需求。对地观测的大视场高分辨率紫外成像光谱仪光学系统的技术方案综合考虑应用需求，对卫星可提供资源和技术能力等方面进行综合权衡，优选光学结构，确定仪器参数。为设计一种航天上轻量化的大视场高分辨率对地观测的紫外成像光谱仪，优选了前置望远成像系统和基于凸面光栅的Offner-Littrow成像光谱仪的光学结构。沿狭缝方向的探测目标条带经望远系统成像在狭缝上，后经凸面光栅分光系统分光后形成光谱像并被探测器接收。通过对空间水平方向推扫方式获得了目标的成像数据立方，对目标进行空间分析和成分识别。凸面光栅分光系统是对地观测的大视场高分辨率紫外成像光谱仪的核心部分，直接决定着成像光谱仪的光谱特性。由于紫外波段信号较弱，对于高分辨率成像光谱仪和微弱光谱信号探测的光谱仪器来说，具有较高的信噪比是至关重要的，而提高信噪比的主要途径就是要增大光谱仪的光通量和减小噪音。这里的光谱仪采用了优化后的Littrow-Offner型的分光系统，一方面继承了Offner型光学系统的优势，相对孔径大、固有像差小、成像质量高以及系统集光本领高的特点；同时该系统还具有Littrow型光学系统的优势：结构简单、紧凑，与经典的Offner型光学系统相比体积更小、重量更轻以及装调相对简单等特点。同时，系统引入像差校正透镜能更好地提升光谱仪信噪比。为了与Offner-Littrow光谱成像系统的光瞳相匹配，前置望远成像系统必须具有像方远心的结构，且宽波段范围内系统的分辨力较高。成像光谱仪的空间分辨率是由前置光学系统来决定的，根据不同的应用目的选择不同的前置光学系统，一般由于我们所测波段包括紫外波段，受紫外玻璃材料限制，考虑反射式结构。对地观测的大视场高分辨率紫外成像光谱仪光学系统由前置望远成像系统、Offner-Littrow光谱成像系统两部分组成。目标物反射光通过凹面镜，经转折镜和退偏器后再经过离轴两反望远成像系统，通过分色片分成两个通道后，聚焦到光谱仪入射狭缝，这个目标条带像发出的光经过成像光谱仪后在垂直条带方向按光谱色散，并会聚成像在探测器光敏面。光敏面的行向平行于狭缝，称空间维，每一行水平光敏面元上是地物条带一个光谱波段的像；光敏面的列向是色散方向，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。光信号经过探测器进行光电转换，由信号处理电路进行放大、直流恢复、滤波，经过AD转换器将模拟信号转换为数字信号。根据指标分析结果，由于视场较大、对空间分辨率和光谱分辨率要求均较高，对地观测紫外成像光谱仪对探测器规模和灵敏度均有较高的要求。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种大视场宽谱段对地观测的紫外成像光谱仪的光学系统，将离轴两反望远成像技术和Offner-Littrow光谱成像技术相结合。并有效的利用凹面镜收集大视场光信息、转折光路和离轴两反望远成像通过分色片形成两通道探测，并通过狭缝分别和相应光谱通道的Offner-Littrow光谱仪相组合，来实现大视场、宽谱段、高光谱、高空间分辨率的探测技术，解决了大视场对地观测紫外成像光谱仪空间分辨率偏低、成像光谱仪系统视场过小、光学系统整体体积偏大、重量偏重等问题。本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统，所述的光学系统包括前置望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统；前置望远成像系统包括：入瞳组件、凹面反射镜、光阑组件，转折镜、退偏器、主镜和次镜。主镜和次镜之间设置孔径光阑。并在望远成像系统后端设置分色片。所述前置望远成像系统根据探测光谱(300-500)nm通过分色片分为两个光谱通道，即第一通道(300-400)nm、第二通道(395-500)nm；所述Offner-Littrow光谱成像系统，和前置望远成像系统相应谱段匹配也分成两个通道，即第I通道的(300-400)nm、第II通道(395-500)nm，具体包括第I通道的Offner-Littrow本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统，其特征在于：所述的光学系统包括前置望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统；所述前置望远成像系统包括：入瞳组件(1)、凹面反射镜(2)、光阑组件(3)，转折镜(4)、退偏器(5)、主镜(6)和次镜(8)；主镜(6)和次镜(8)之间设置孔径光阑(7)；并在前置望远成像系统后端设置分色片(9)，所述前置望远成像系统根据探测光谱(300-500)nm通过分色片(9)分为两个光谱通道，即第一通道(300-400)nm、第二通道(395-500)nm；所述Offner-Littrow光谱成像系统，和前置望远成像系统相应谱段匹配也分成两个通道，即第I通道的(300-400)nm、第II通道(395-500)nm，第I通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第I通道入射狭缝(10)、第I通道滤光片(11)、第I通道像差校正透镜(12)、第I通道凹面反射镜(13)、第I通道凸面光栅(14)和第I通道探测器(15)组成，第II通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第II通道入射狭缝(16)、第II通道滤光片(17)、第II通道像差校正透镜(18)、第II通道凹面反射镜(19)、第II通道凸面光栅(20)和第II通道探测器(21)组成；目标物为(300-400)nm波段的光从分色片(9)反射后聚焦到第I通道的(300-400)nm入射狭缝(10)处，目标物为(395-500)nm波段的光从分色片(9)透射后聚焦到第II通道(395-500)nm入射狭缝(16)处，所述前置望远成像系统通过分色片(9)形成两个通道的光谱波段进行探测，范围分别是第一通道(300-400)nm、第二通道(395-500)nm；/n第一通道(300nm-400nm)波段的光信息从第I通道入射狭缝(10)和后端放置第I通道的滤光片(11)进入第I通道的Offner-Littrow成像光谱仪系统，再经过第I通道像差校正透镜(12)聚焦到第I通道凹面反射镜(13)后反射至第I通道凸面光栅(14)，分光后转折至第I通道凹面反射镜(13)处，再经像差校正透镜(12)聚焦到第I通道的探测器(15)上；第二通道(395nm-500nm)波段的光信息从第II通道入射狭缝(16)和后端放置第II通道滤光片(17)进入第II通道的Offner-Littrow成像光谱仪系统，再经过第II通道像差校正透镜(18)聚焦到第II通道凹面反射镜(19)后反射至第II通道凸面光栅(20)，分光后转折至第II通道凹面反射镜(19)处，再经像差校正透镜(18)聚焦到第II通道探测器(21)上。/n...

【技术特征摘要】
1.一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统，其特征在于：所述的光学系统包括前置望远成像系统和Offner-Littrow光谱成像系统；所述前置望远成像系统包括：入瞳组件(1)、凹面反射镜(2)、光阑组件(3)，转折镜(4)、退偏器(5)、主镜(6)和次镜(8)；主镜(6)和次镜(8)之间设置孔径光阑(7)；并在前置望远成像系统后端设置分色片(9)，所述前置望远成像系统根据探测光谱(300-500)nm通过分色片(9)分为两个光谱通道，即第一通道(300-400)nm、第二通道(395-500)nm；所述Offner-Littrow光谱成像系统，和前置望远成像系统相应谱段匹配也分成两个通道，即第I通道的(300-400)nm、第II通道(395-500)nm，第I通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第I通道入射狭缝(10)、第I通道滤光片(11)、第I通道像差校正透镜(12)、第I通道凹面反射镜(13)、第I通道凸面光栅(14)和第I通道探测器(15)组成，第II通道的Offner-Littrow光谱成像系统由第II通道入射狭缝(16)、第II通道滤光片(17)、第II通道像差校正透镜(18)、第II通道凹面反射镜(19)、第II通道凸面光栅(20)和第II通道探测器(21)组成；目标物为(300-400)nm波段的光从分色片(9)反射后聚焦到第I通道的(300-400)nm入射狭缝(10)处，目标物为(395-500)nm波段的光从分色片(9)透射后聚焦到第II通道(395-500)nm入射狭缝(16)处，所述前置望远成像系统通过分色片(9)形成两个通道的光谱波段进行探测，范围分别是第一通道(300-400)nm、第二通道(395-500)nm；
第一通道(300nm-400nm)波段的光信息从第I通道入射狭缝(10)和后端放置第I通道的滤光片(11)进入第I通道的Offner-Littrow成像光谱仪系统，再经过第I通道像差校正透镜(12)聚焦到第I通道凹面反射镜(13)后反射至第I通道凸面光栅(14)，分光后转折至第I通道凹面反射镜(13)处，再经像差校正透镜(12)聚焦到第I通道的探测器(15)上；第二通道(395nm-500nm)波段的光信息从第II通道入射狭缝(16)和后端放置第II通道滤光片(17)进入第II通道的Offner-Littrow成像光谱仪系统，再经过第II通道像差校正透镜(18)聚焦到第II通道凹面反射镜(19)后反射至第II通道凸面光栅(20)，分光后转折至第II通道凹面反射镜(19)处，再经像差校正透镜(18)聚焦到第II通道探测器(21)上。


2.根据权利要求1所述的一种大视场高分辨率对地观测紫外成像光谱仪光学系统，其特征在于：所述光学系统由分色片分成两个光谱探测波段(300nm-400nm)、(395nm-500nm)...

【专利技术属性】
技术研发人员：江宇，司福祺，周海金，薛辉，詹锴，黄书华，张泉，曾议，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：安徽;34