一种交叉车尼尔特纳结构多狭缝多光谱系统的制作方法

本发明涉及光学领域，特别涉及一种交叉车尼尔特纳结构多狭缝多光谱系统。

背景技术：

光谱成像系统是遥感和光谱探测仪器的核心，特别是对光谱成像质量较高，且连续光谱成像的仪器中。经典的光谱仪结构形式主要有车尼尔特纳结构、奥夫纳结构、交叉型车尼尔特纳结构、罗兰圆结构等等，这些结构对于波段范围较窄或者是光谱分辨率不高的系统能够很好地满足仪器指标要求。但是对于光谱范围较宽并且光谱分辨率较高的高光谱、超光谱系统而言，只能采用单个或者多个双色镜，将光谱范围分成两段或者多段，再采用上述结构进行光谱成像。多通道的系统形式不可避免地会导致系统的体积增大，重量增加。

一般工业级的光谱仪结构形式简单，对重量体积等几何物理规格要求不高。但是对于星载成像光谱仪、空基成像光谱仪和部分地基光谱仪等对体积和重量要求较为严格的系统而言，仪器的几何尺寸和重量直接决定仪器的成本，尤其对于星载仪器而言，其发射成本与重量成上百倍的关系。因此，必须尽量减小仪器的尺寸和重量。

迄今为止，大部分宽波段、高光谱分辨率星载光谱仪均采用多通道的形式，即在光谱范围内，利用双色镜分成多个波段范围，即多个通道。每个通道再分别设计对应的光谱仪系统，最终成像在多个探测器上。同时系统中增加折叠镜以缩小外形尺寸。该种结构形式能够满足常用仪器的指标要求，但是对于一些空间方向视场较小的仪器而言，CCD或者CMOS面阵探测器在空间维的利用率很低，只采用很少一部分的像元数。因此上述结构导致了仪器的体积和重量增加很多，一些资源较为紧张的卫星或者飞机以及地基上无法满足使用要求，并且该种结构研制成本高，装调麻烦。

美国专利US20060038997公布了一种基于offner凸面光栅的多狭缝多光谱系统，但是由于凸面光栅刻线加工困难，成本高，并且其外形尺寸限制无法进行小型化。另外，专利中没有解决通道之间杂散光串扰的问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服已有的光谱仪体积、重量较大，导致仪器发射升本高、加工装调困难以及通道间存在杂散光串扰等缺陷，从而提供一种体积小、重量轻，具有广泛适用范围的多光谱系统。

为了实现上述目的，本发明提供了一种交叉车尼尔特纳结构多狭缝多光谱系统，包括：多狭缝组件1、准直镜2、平面光栅3、成像物镜4、焦面探测器5和多通道滤光片阵列6；其中，

从外部的前置望远镜系统或者光纤远心系统出射的光以一定方向从多狭缝组件1的入射狭缝进入交叉车尼尔特纳结构多狭缝多光谱系统；入射光经过所述准直镜2反射后，以准直光束的形式入射到所述平面光栅3上，经过所述平面光栅3反射之后实现了光谱分光；最后由所述成像物镜4成像；所述焦面探测器5采集在所述成像物镜4上所形成的图像，所述焦面探测器5之前的光通路上设置有所述多通道滤光片阵列6，所述多通道滤光片阵列6用于保证每个通道光谱的纯度。

上述技术方案中，所述多狭缝组件1采用左右和上下分离的多狭缝将不同波段的光引入多光谱系统，其中一个入射狭缝所能透过的入射光覆盖一定的光谱范围，所有入射狭缝所能透过的入射光覆盖交叉车尼尔特纳结构多狭缝多光谱系统所要求的全部光谱范围。

上述技术方案中，所述多狭缝组件1中的一半入射狭缝位于左上侧，所述多狭缝组件1中的另一半入射狭缝位于右下侧。

上述技术方案中，所述双狭缝组件1中入射狭缝的宽度根据光谱分辨率加以调整。

上述技术方案中，所述准直镜2的表面镀有全波段的反射膜。

上述技术方案中，所述多狭缝组件1、准直镜2、成像物镜4、焦面探测器5和多通道滤光片阵列6的光轴与平面光栅3的光轴在一个平面内。

上述技术方案中，所述平面光栅3的刻线数根据线分辨率要求确定，其表面的曲率根据系统基本参数和成像质量要求确定。

上述技术方案中，所述成像物镜4为球面反射式光学系统或多反射式光学系统。

上述技术方案中，所述焦面探测器5为面阵探测器。

上述技术方案中，所述多通道滤光片阵列6采用多个滤光片拼接组成，或在单个基片上的每个区域镀不同膜系。

本发明的优点在于：

1、本发明的多光谱系统中的入射狭缝包括有多个狭缝，多个狭缝的位置可以由机械加工精确确定，通过调整多个狭缝的宽度可调整两个通道的分辨率；

2、本发明的多光谱系统将不同波段的光同时成像在一个探测器上的不同区域，可以充分提高面阵探测器的利用效率，降低对资源的要求；

3、本发明的多光谱系统中不同波段的光公用了一套光学系统、一个探测器，降低了仪器的研发成本，缩小了仪器的体积，减轻了重量，对于星载、空载和部分地基成像光谱仪有广泛的应用范围；

4、本系统所有系统均为反射式结构，系统中元件的调整与经典车尼尔特纳结构一致，没有增加仪器的装调难度。

附图说明

图1是本发明的交叉车尼尔特纳结构多狭缝多光谱系统的结构示意图；

图2是本发明的交叉车尼尔特纳结构多狭缝多光谱系统中的多狭缝组的示意图；

图3是本发明的交叉车尼尔特纳结构多狭缝多光谱系统的1-1通道传递函数曲线图；

图4是本发明的交叉车尼尔特纳结构多狭缝多光谱系统的1-2通道传递函数曲线图。

具体实施方式

现结合附图对本发明作进一步的描述。

参考图1，本发明的交叉车尼尔特纳结构多狭缝多光谱系统包括：多狭缝组件1、准直镜2、平面光栅3、成像物镜4以及焦面探测器5和多通道滤光片阵列6；其中，从前置望远镜系统或者光纤远心系统出射的光以一定方向从多狭缝组件1的入射狭缝进入多光谱系统；入射光经过准直镜2反射后，以准直光束的形式入射到平面光栅3上，经过平面光栅3反射之后实现了光谱分光；最后由成像物镜4成像；所述焦面探测器5采集在成像物镜4上所形成的图像，所述焦面探测器5之前的光通路上设置有多通道滤光片阵列6，该多通道滤光片阵列6用于保证每个通道光谱的纯度。

下面对本发明的多光谱系统中的各个部件做进一步的说明。

参考图2，多狭缝组件1采用左右和上下分离的多狭缝将不同波段的光引入多光谱系统，它包括第一入射狭缝1-1、第二入射狭缝1-2、第三入射狭缝1-3…等；通过所述第一入射狭缝1-1入射的入射光覆盖一定的光谱范围，通过所述第二入射狭缝1-2入射的入射光覆盖另一光谱范围…，通过所述第i个入射狭缝入射的光覆盖对应的光谱范围，多个入射狭缝的光谱范围覆盖仪器要求的全部光谱范围。所述多狭缝组1通过狭缝左右位置差异，保证不同波段范围的光在焦面探测器5上不发生重叠；通过上下位置的差异，保证光谱的连续性，并且保证不同波段的光能够成像在同一个探测器上。由于入射狭缝的宽度决定了入射光的波长分辨率，而多光谱系统的入射光波长越长，光谱分辨率会越低，因此可根据需要调整多狭缝组件1的多个入射狭缝的宽度，从而调整两个通道的分辨率。此外，多狭缝组件1中的每个入射狭缝的波段范围和视场方向应与仪器要求一致；狭缝出射光的方向应与前置望远镜系统或者光纤远心系统的方向一致。

所述准直镜2的表面镀有全波段的反射膜，其将从多狭缝组件1的多个入射狭缝出射的光同时反射到平面光栅3上。准直镜2可采用球面反射镜或者非球面反射镜实现。

所述多狭缝组件1、准直镜2、成像物镜4以及焦面探测器5和多通道滤光片阵列6的光轴与平面光栅3的光轴在一个平面内。平面光栅3的刻线数根据线分辨率要求确定，其表面的曲率根据系统基本参数和成像质量要求确定。

所述成像物镜4用于将平面光栅3反射的光聚焦到焦面探测器5上，成像物镜4的曲率、倾斜和偏心根据系统的要求确定。成像物镜4是反射式光学系统，可以是球面反射式光学系统，或非球面光学系统，或者由球面、非球面和超环面组成的多反射式光学系统。

所述焦面探测器5位于成像物镜4的焦面上，用于将多狭缝组1中多个入射狭缝出射的光同时获取，获得对应方向的光谱信息。所述焦面探测器5为面阵探测器，可采用如胶片、CCD器件、CMOS器件等实现。

所述多通道滤光片阵列6位于焦面探测器5之前，并且靠近焦面探测器，用于保证每个通道的光谱为所要求的光谱，避免带外杂散光进入该通道。该多通道滤光片阵列6可采用多个滤光片拼接组成，也可以在单个基片上，每个区域镀不同膜系组成。

在一个实施例中，参考图1，本发明的交叉车尼尔特纳结构多狭缝多光谱系统为一近紫外至可见光波段的多光谱系统，其具体指标为：

光谱范围：310nm～520nm；

光谱分辨率：0.4nm；

探测器：1024*1024CCD面阵(像元大小：13μm*13μm)；

单个入射狭缝长度：12mm。

经过初步计算以后，在该实施例中，只需要两个狭缝即可满足光谱范围和光谱分辨率。因此，图2中的多入射狭缝只需采用中间两侧的双入射狭缝1-1和1-2即可。该多光谱系统的具体指标参见表1，图1为该交叉车尼尔特纳结构多狭缝多光谱系统的结构示意图；图2为交叉车尼尔特纳结构多狭缝结构的示意图；图3和图4分别为入射狭缝1-1和1-2的传递函数曲线图。

表1

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。