紧凑型高分辨率宽视场光谱成像系统的制作方法

本专利涉及一种紧凑型高分辨率宽视场光谱成像系统设计，特别涉及一种用于星载、机载大气二氧化碳探测的光谱成像仪的高分辨率、宽视场光学系统设计。

背景技术：

光谱成像仪结合了光学成像和光谱分光这两种历史悠久的技术，使之能同时得到物体的空间图像和丰富的光谱信息，具有图谱合一的优点。上个世纪80年代以来，是20世纪80年代开始在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的新一代空间光学遥感仪器，一直受到各国科研机构极大的重视，在航空、航天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有了广泛的应用。

光栅分光型光谱成像仪在获取目标空间信息的同时，提供光谱维信息。通过物质特有的光谱特征揭示物质的存在状况及成分，达到从空间识别地球表面物质的遥感目标。其工作原理是：地面反射的辐射经前置光学镜头会聚，成像在狭缝面上，入射狭缝使一个穿轨方向地面条带的像通过，而遮挡掉其余部分。通过狭缝(视场光阑)的辐射能量经过分光系统，在垂直狭缝长度方向按光谱色散并成像在面阵探测器的光敏面上。光敏面的水平方向平行于狭缝，即为空间维，每一行水平光敏面元上是地面条带一个光谱通道的像；光敏面的垂直方向是色散方向，即为光谱维，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。

高光谱成像仪光学系统主要涉及的是分光系统的设计，目前主要的光谱分光方法有棱镜分光、光栅分光、傅里叶变换、声光可调谐滤光片、液晶可调谐滤光片、渐变滤光片等。棱镜和光栅分光技术出现较早、技术比较成熟，绝大多数航空和航天成像光谱仪均采用了此类分光技术.采用棱镜分光的缺点在于线色散率和波长有关，将导致面阵探测器每行光谱采样的间隔不一样，不利于通道带宽编程选择；采用光栅分光方式，在入射角度很大的情况下，其光谱的线色散率与波长无关，能满足分光系统线色散率为定值的要求，并且具有比棱镜更高的光谱分辨率。然而，普通闪耀光栅在实际应用中，为了避免级次重叠，只能用于低级次(第1级或第2级)，因此要获得高分辨率光谱只能采用大面积细刻线光栅，仪器的尺寸非常庞大。

目前国际上具有代表性的探测二氧化碳的光栅光谱成像仪有2002年欧空局发射的大气痕量气体扫描成像光谱仪SCIAMACHY，视场1.8°，刈幅宽度30km，光谱分辨率0.2nm～1.48nm；2015年美国NASA发射的OCO-2，视场0.84°，刈幅宽度10.3km，光谱分辨率达到0.1nm。这些光谱成像仪载荷在二氧化碳探测与数据采集中发挥了重要作用，但是，它们的缺点是难以同时做到宽视场(宽刈幅宽度)与高光谱分辨率，并且仪器体积较大，其中OCO-2体积为1.6m×0.4m×0.6m。随着CO₂遥感探测技术的不断发展，对成像光谱仪的要求也越来越高，要求在宽视场的条件下获得高光谱分辨率，同时对于体积与重量也提出了更高的要求。视场越大则刈幅宽度越大，卫星的回访周期就越小，可以有效提高时间分辨率；光谱分辨率越高，则可以提供更多更丰富的数据资料，并提高数据反演精度；体积减小，重量变轻则可以降低发射成本，实现卫星载荷的小型化和轻量化。

因此，宽视场、高分辨率、紧凑型的光谱成像仪成为全球大气二氧化碳探测的迫切需求，而现有的技术难以满足应用要求。

技术实现要素：

综上所述，现有技术由于光学系统的视场限制、成像质量的影响以及色散元件制造的难度，导致当前各成像光谱仪难以同时满足大视场与高光谱分辨率。此外，传统的光栅光谱仪器由于使用低级次(第1级或第2级)衍射，系统通常采用庞大的V型结构，存在装调困难、稳定性差等缺陷。本专利的目的在于提供一种高分辨率、大视场、结构紧凑的光学系统设计，以便解决上述相关问题。

本专利通过以下技术方案实现：

系统包括前置物镜1、入射狭缝2、准直及聚焦镜组3、浸没式平面光栅4、面阵探测器5，其中入射狭缝2、准直及聚焦镜组3、浸没式平面光栅4、面阵探测器5组成分光系统8。

所述的前置物镜1为四片式镜片结构；

所述的浸没式平面光栅4切面呈等腰直角三角形；

所述的准直及聚焦镜组3为一组四片式镜片结构；

系统的像平面与系统主光轴6的垂直面呈2.5度的倾斜，系统的光阑放在光栅上，来自条带型地表目标的辐射经前置物镜1进入系统，并成像于物镜焦平面的入射狭缝2处，通过狭缝2的光谱辐射能量，经准直镜组3准直，平行入射至浸没式平面光栅4，由浸没式平面光栅4分光，把不同波长的光分开，再经准直及聚焦镜组3聚焦在像平面上的面阵探测器5上，实现精细光谱成像。

所述的前置物镜1的视场角为20°，F数为2，光学长度小于60mm；工作波长在1550-1650nm范围内。

所述的入射狭缝2的长度为5mm。

所述的浸没式平面光栅4的体积尺寸小于240×240×240mm³，光栅常数为1200-1300。

所述的分光系统8的体积尺寸小于240×240×540mm³，放大率为1:1。

所述的面阵探测器5的像元尺寸为20μm，像元数为1200××256。

系统具体设计如下：

1、前置物镜的设计

前置物镜的设计遵循仪器轻小紧凑、与分光系统光瞳相匹配的原则，设计为四片式透镜组，四片透镜均为硅材料。设计过程中，优化函数只设置了系统参数与像质约束。系统选用了较大的入射视场，考虑到光学系统像面畸变随着视场的增大而增大，可以通过简单的图像处理技术来消除。

设计中，可以将F数定的比分光系统的F数稍大，避免系统集成后因渐晕而损失的能量。

2、分光系统设计

系统分光元件选用浸没式平面光栅，浸没式光栅与传统光栅的区别在于，在折射率为n的介质中，入射光的波长被缩减了n倍，根据瑞丽判据，光栅的光谱分辨率为λ/mN，因此光栅的光谱分辨能力提升了n倍。对于本系统的高光谱分辨率需求，选用浸没式光栅可以减小系统体积，实现轻量化。

分光系统采用利特罗(Littrow)结构，Littrow系统又被称为是自准直系统，由入射狭缝，准直透镜组，平面衍射光栅以及像平面(探测器焦平面)组成。入射狭缝垂直于直面，平行于光栅刻线槽。孔径光阑置于光栅上，该系统以孔阑为界分为前后两部分，且两部分相互对称于孔径光阑，可以实现1:1成像。经由望远镜收集到的光束通过入射狭缝进入分光系统，经准直透镜组后入射到平面衍射光栅表面，在光栅表面按波长色散后，在Littrow结构下沿入射路径返回，此时的准直透镜组相当于聚焦透镜组，可以将光束聚焦在探测器焦平面上。由此，探测器可以获取不同波长的光谱信息，呈现的是与狭缝形状相似的精细条纹。整个分光系统的相对孔径主要由准直部分(聚焦部分)的光学结构所确定。此外，在设计优化过程中，引入了一块非球面弯月透镜，可增加系统相对孔径。

分光器件几何参数还需要考虑衍射特性的设计，取决于光谱成像系统指标。本专利中，浸没式平面衍射光栅的衍射级次为+1级，光栅尺寸与刻线密度根据波段、光谱采样率以及聚焦系统的焦距决定。

3、系统集成

光谱成像系统的前置物镜和分光系统分别根据不同的优化函数独立设计，然后进行系统集成。前置物镜只需要保证成像质量，分光系统还需要考虑色畸变与谱线弯曲。集成后的系统，光阑位于浸没式光栅的入射面上。

如上所述，根据本专利的一种高分辨率宽视场光谱成像系统，其包括前置物镜1、入射狭缝2、准直及聚焦镜组3、浸没式平面光栅4、面阵探测器5。来自条带型地表目标的辐射经前置物镜进入系统，并成像于物镜焦平面的入射狭缝处，通过狭缝后的光谱辐射能量，经由准直镜组准直，平行入射至浸没式光栅，由浸没式光栅分光，把不同波长的光分开，再经准直及聚焦镜组3聚焦在面阵探测器5上，实现精细光谱成像。

所述的紧凑性高分辨率宽视场光谱成像系统的系统F数为2，视场角为20°，光谱分辨率为0.08nm；它的工作波长在1550～1650nm，体积小于240×240×600mm³。

与现有技术相比，本专利的优点在于：光谱成像系统的F数大，有效提高系统集光能力，可以做到高信噪比；透射式前置系统拥有多个变量，可以满足大视场条件下的高成像质量，符合大视场、高光谱分辨率的要求；光阑放在光栅器件上，满足物、像方远心光路，在面阵探测器表面可以达到均匀的能量分布；系统采用浸没式光栅作为分光元件，因此在相同的光谱分辨能力下，可以有效缩减体积；准直透镜组与成像透镜组二者为一体，使得系统更加紧凑、轻量化。

附图说明

图1是本专利实施例所提供的光谱成像系统的结构示意图；

图2是本专利实施例所提供的光谱成像系统的光路示意图；

图3是本专利实施例所提供的光谱成像系统中浸没式光栅元件的结构示意图；

其中：

1、前置系统；

2、入射狭缝；

3、准直及聚焦镜组；

4、浸没式平面光栅；

5、面阵探测器；

6、系统主光轴；

7、色散分光后出射的三种不同波长的光线；

8、分光系统；

9、浸没式光栅基底材料；

10、光栅刻划面；

11、浸没式光栅表面

具体实施方式

下面结合图给出本专利一个较好的实施例，主要用作进一步详细说明本专利的特点，而非用来限定本专利的范围：

图1是本专利具体实施例的紧凑型高分辨率宽视场光谱成像仪的结构示意图。参见附图1，前置物镜1为四片式结构；分光系统8由入射狭缝2、准直及聚焦镜组3、浸没式平面光栅4、面阵探测器5构成。其中，面阵探测器5接收表面与主光轴6的垂面呈2.5度的倾斜。

图2是上述光谱成像系统的光路示意图。参见附图2，来自地球条带型目标的辐射信号经过前置系统1后成像于视场光阑狭缝2上，透过狭缝2的辐射能量经过准直及聚焦镜组3后，垂直于浸没式光栅的表面入射，主光线的准直光线在光轴6上，入射至光栅刻划面10，把不同波长的光分开，它们经聚焦镜组3聚焦在面阵探测器5上，即不同波长的光线在光栅刻划面10出射后，沿着不同的角度进入准直及聚焦镜组3，最终汇聚在面阵探测器5的不同位置，实现谱线分离。面阵探测器5上显示的是呈精细条纹状的像。由于准直与聚焦镜采用同一组镜片，系统实现了放大率为1:1的成像。

图3是本专利实施例所提供的光谱成像系统中浸没式光栅的具体结构示意图。参见附图3，本专利中浸没式光栅基底材料9选用硅材料，光栅刻划面10的光栅常数为每毫米1250线对。其中，光栅刻划面10与浸没式光栅表面11以及光轴6的夹角都为45°。

图3中，中心波长光线以入射角45°入射到光栅刻划面10上，衍射角为θ₁，然后以θ₂的入射角至浸没式光栅表面11，出射光线的出射角为θ₃，然后进入聚焦镜组3，聚焦于面阵探测器5上。

系统工作在波长1591～1621nm范围内，光谱范围30nm，全视场为20度，F数为2，狭缝尺寸为5mm×20μm，光谱分辨率达到0.08nm，像元尺寸为20μm，穿轨方向瞬时视场为0.163mrad，放大率为1:1。全系统镜片材料均为硅，包括浸没式光栅基底材料，折射率为3.4。在前置系统的设计中，F数设计的要比后端分光系统的F数稍大。成像光谱仪的F数为2，前置系统的F数设计为1.8左右，避免对接光谱仪后产生渐晕而损失能量；全视场内物镜的弥散斑RMS半径在5μm以内，远小于探测器像元尺寸30μm。系统体积为240×240×600mm³。系统保证了宽视场、高光谱分辨率，同时实现紧凑化与轻量化设计。