一种基于临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统的制作方法

本发明属于一种光学测量方法领域，具体是通过高分辨率光谱成像获取对临边观测的散射光谱，反演出所观测区域痕量气体成分no2、o3等物质的垂直分布。主要应用于航天卫星平台的星载临边差分吸收光谱仪探测，具体由摆扫镜、离轴三反望远成像系统和offner-littrow光谱成像系统三部分组成。

背景技术：

本发明系统是针对地球切线方向上的大气进行探测，收集仪器视场范围内大气痕量气体散射辐射，散射辐射的亮度随波长和临边高度变化，通过分析接收到的散射辐射的光谱特性，反演大气痕量气体的空间分部信息。

大气痕量气体探测是监测大气环境污染和研究全球变暖的重要手段，基于卫星平台的大气痕量气体根据观测方式的不同，分为天底探测模式、掩日/月探测方式和临边探测方式。天底探测方式的空间覆盖范围高，但垂直分辨率低；掩日/月探测方式的垂直分辨率高，但空间覆盖范围小；临边探测方式同时具备空间覆盖范围大和垂直分辨率高的特点。

利用no2、so2、o3等大气痕量气体在不同波段对太阳光的散射和吸收特性的差异，通过对经过仪器后的紫外/可见波段的散射光谱辐射光谱信息的解释，获得大气成分的总量或垂直分布特征。临边观测的差分吸收成像光谱仪对沿地球某高度切线方向上的大气进行探测，接收来自仪器视场内大气层的散射辐射。通过摆镜扫描可获得整层大气的垂直结构探测。

临边观测的差分吸收成像光谱仪是一种“图像和光谱的合一”的光学遥感仪器，它利用入射狭缝将离轴三反望远系统和offner-littrow光谱成像系统结合在一起，能够提供景物连续的光谱图像。临边探测方式是一种对大气进行切片探测的技术，通过摆扫镜将大气层垂直方向光谱信息传递到仪器中进行后续探测，因此垂直分辨率较高。仪器的视场由临边高度决定，它测量的临边光谱辐亮度包括单次和多次散射的太阳光辐射。临边散射亮度随临边高度和波长的变化反应了大气中吸收体和散射体的空间分布，特别是痕量气体no2、so2、o3和大气气溶胶的空间分布。仪器光谱范围在(290-480)nm、(520-610)nm内、满足高光谱分辨率和空间分辨率探测的光学设计方案。为了减少体积和重量，采用小口径的光学系统，整体光学结构具有结构简单、重量轻、辐射能量利用率高、成像质量好的特点，并能够满足应用要求的技术指标和性能，在航天资源(体积、重量)限制和当前技术能力下能够实现。

光谱波段指标要求为(290-480)nm、(520-610)nm，光谱分辨率≤0.6nm，考虑到在这个波段辐照强度变化大，且光谱分辨率要求高，拟采用多通道设计方案，同时考虑到应用目标痕量气体的反演需求。

临边观测差分吸收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高分辨率临边成像光谱仪，优选了离轴三反望远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连续摆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临边观测差分吸收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offner-littrow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，引入像差校正透镜能增大光谱仪相对孔径，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，离轴三反望远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，优先考虑反射式结构。反射式望远镜适用宽谱段，但难以实现大视场，这里是通过增加运动摆扫机构获得相对大的视场和孔径。

临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统由摆扫镜、离轴三反望远成像系统、offner-littrow光谱成像系统组成。目标物反射光通过摆镜，经离轴三反望远成像系统聚焦到光谱仪入射狭缝，这个目标条带像发出的光线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，临边观测差分吸收成像光谱仪对探测器规模和灵敏度均有较高的要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题为：克服现有技术不足，提供一种宽谱段高分辨率的临边观测差分吸收成像光谱仪的光学系统，将差分吸收光谱技术、临边探测技术、offner-littrow光谱成像技术相结合。并有效的将摆扫镜系统、离轴三反望远成像组合通过分色片形成多通道探测，并通过狭缝分别和相应光谱通道的offner-littrow光谱仪相组合，来实现宽谱段高分辨率临边探测技术，解决了临边观测成像光谱仪垂直空间分辨率偏低、紫外波段探测通道较少、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。

本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：一种基于临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统，所述的光学系统包括摆扫镜系统、离轴三反望远成像系统和offner-littrow光谱成像系统；所述摆扫镜系统包括窗口、摆镜；探测临边信息光经窗口，通过摆镜扫描进入后续离轴三反望远成像系统。所述离轴三反望远成像系统具体包括：主镜、孔径光阑、次镜和第三反射镜，并且在主镜的前端加置退偏器。在第三反射镜后端包括有两个分色片，即第一分色片和第二分色片。所述离轴三反望远成像系统中，摆镜出射的探测光经退偏器反射到主镜，经过孔径光阑入射到次镜后反射至第三反射镜。离轴三反望远成像系统通过第一分色片、第二分色片形成三个光谱通道。即第一通道(290-380)nm、第二通道(375-480)nm、第三通道(520-610)nm；所述offner-littrow光谱成像系统，和离轴三反望远系统相应谱段匹配也分成三个通道，即第i通道的(290-380)nm、第ii通道(375-480)nm、第iii通道(520-610)nm，具体包括第i通道的offner-littrow光谱成像系统由第i通道入射狭缝、第i通道像差校正透镜、第i通道凹面反射镜、第i通道凸面光栅、第i通道探测器组成，第ii通道的offner-littrow光谱成像系统由第ii通道入射狭缝、第ii通道像差校正透镜、第ii通道凹面反射镜、第ii通道凸面光栅、第ii通道探测器组成，第iii通道的offner-littrow光谱成像系统由第iii通道入射狭缝、第iii通道像差校正透镜、第iii通道凹面反射镜、第iii通道凸面光栅、第iii通道探测器组成。目标物为(290-380)nm波段的光从第一分色片反射后聚焦到第i通道的(290-380)nm入射狭缝处，目标物为(375-480)nm波段的光从第二分色片反射后聚焦到第ii通道(375-480)nm入射狭缝处，目标物为(520-610)nm波段的光从第二分色片透射后聚焦到第iii通道(520-610)nm入射狭缝处；

第一通道(290nm-380nm)波段的光信息从第i通道入射狭缝经过第i通道像差校正透镜进入offner-littrow成像光谱仪系统，由第i通道凹面反射镜反射至第i通道凸面光栅，分光后转折至第i通道凹面反射镜处，再经像差校正透镜聚焦到第i通道的探测器上；第二通道(375nm-480nm)波段的光信息从第ii通道入射狭缝经过第ii通道像差校正透镜进入光谱仪，由第ii通道凹面反射镜反射至第ii通道凸面光栅，分光后转折至第ii通道凹面反射镜处，经像差校正透镜聚焦到第ii通道探测器上；第三通道(520nm-610nm)波段光信息从第iii通道入射狭缝经过第iii通道像差校正透镜进入光谱仪，由第iii通道凹面反射镜反射至第iii通道凸面光栅，分光后转折至第iii通道凹面反射镜处，经像差校正透镜聚焦到第iii通道探测器上。

其中，所述光学系统由分色片分成三个光谱探测波段(290nm-380nm)、(375nm-480nm)、(520nm-610nm)分别进行光谱成像设计。根据上述探测波段分成三个独立的offner-littrow光谱成像系统。在每个offner-littrow光谱成像系统中，第i通道入射狭缝和第i通道探测器位于第i通道像差校正透镜中心线的上下对称分布。能够使得入射狭缝远离探测器，从而确保其他装在光谱成像系统上的装置没有遮挡入射狭缝。同样，第ii通道入射狭缝和第ii通道探测器位于第ii通道像差校正透镜中心线的上下对称分布、第iii通道入射狭缝和第iii通道探测器位于第iii通道像差校正透镜中心线的上下对称分布。第i通道像差校正透镜、第ii通道像差校正透镜、第iii通道像差校正透镜均为同心弯月透镜设计，用来校正由于相对孔径增大引起的像差。

其中，所述光学系统的离轴三反望远成像系统：采用两块非球面反射镜和一块球面镜组成，其中主镜、第三反射镜采用二次曲面设计，次镜考虑装调方便，采用球面镜设计。通过对光阑合适的倾斜，实现无中心遮拦，同时具有分辨率高、体积小、平像场等优点。这里设置孔径光阑位于次镜上，中心视场倾斜，光阑不离轴。离轴三反望远系统的镜片材料为热膨胀系数超低的材料组成，这里用的是微晶玻璃。离轴三反望远系统镜片均镀宽带铝膜实现紫外可见波段的高效反射。

其中，所述光学系统的摆镜针对临边观测垂直方向进行摆扫。将临边探测的光信息引入离轴三反望远成像系统，摆扫镜具体材料选用碳化硅。摆扫镜后端和离轴三反望远系统之间设置退偏器，退偏器采用石英晶体加工。第一分色片和第二分色片材料采用熔融石英玻璃，并镀分色膜。其中第二分色片出光面采用高次非球面设计。

其中，所述光学系统的离轴三反望远成像系统设计必须满足以下要求：①具有像方远心结构；②与后端offner-littrow光谱成像系统的凸面光栅分光系统数值孔径匹配。offner-littrow光谱成像系统三个通道中的光栅可以是凸面的rowland光栅，也可以是凸面的像差校正光栅。offner-littrow光谱仪中第i通道凹面反射镜、第ii通道凹面反射镜、第iii通道凹面反射镜均采用ule光学玻璃。第i通道像差校正透镜、第ii通道像差校正透镜、第iii通道像差校正透镜采用熔融石英玻璃制作，镀相应紫外可见波段增透膜。

本发明的原理包括三部分：摆镜光学系统、离轴三反望远成像系统和offner-littrow光谱成像系统；所述摆镜系统通过一维摆扫将临边观测信息引入仪器，主要是摆镜构成。所述离轴三反望远成像系统主要包括离轴三反望远镜、孔径光阑、两个分色片以及退偏器。探测目标物的光经过摆扫镜、退偏器和离轴三反望远镜通过分色片形成三个独立的光谱通道光学系统根据探测波段分成三通道。具体是通道1(290-380)nm、通道2(375-480)nm、通道3(520-610)nm。离轴三反望远成像系统将各自通道的光谱信息分别聚焦到offner-littrow成像光谱仪系统的入射狭缝处，通过控制离轴三反望远镜的曲率半径，主镜、次镜及三镜之间的间距和角度，以及主镜和三镜的非球面系数来优化进入offner-littrow成像光谱仪入射狭缝处的像质；所述offner-littrow光谱成像系统具体由入射狭缝、像差校正透镜、凸面光栅和凹面反射镜和探测器构成。各波段信息的光从offner-littrow成像光谱仪系统入射狭缝进入，通过像差校正透镜后经凹面反射镜反射到凸面光栅分光后，再经凹面反射镜和像差校正透镜聚焦到相应通道探测器上。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明的光学系统辐射能量利用效率高。本发明利用摆镜将光信息引入仪器内部，通过离轴三反望远成像系统，由分色片将探测波段分成三个通道，分别进行光谱成像探测。通过本发明离轴三反望远成像系统和offner-littrow光谱成像系统的mtf传递函数发现，本发明在一定的空间频率范围内具有良好的分辨率和对比度，从而提高系统的探测分辨率，保证测量的准确性。临边观测的差分吸收光谱仪光学系统在一定视场范围内，在探测的紫外、可见宽波段内均能取得良好的光谱分辨率和空间分辨率。

(2)本发明能够取得的较高的信噪比。offner-littrow光谱成像系统是基于凸面光栅分光系统，它是临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统的核心部分，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offner-littrow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。offner-littrow光谱成像系统实现高光通量、全息光栅高衍射效率，并且具有高光谱、空间分辨率、体积较小特点。入射狭缝和探测器在像差校正镜的中心线的上下对称分布，能够使得入射狭缝部件远离探测面，从而确保一个体积较大的探测器或者其他装在光谱成像系统上的装置没有遮挡入射狭缝部件。

(3)本发明可实现高精度低转动惯量摆扫技术。临边观测的差分吸收光谱仪光学系统容差小，就需要摆镜光学负载面型精度高、刚度好，为使摆镜达到高面形精度、高刚度就会无形中增加其重量及惯量。通过对摆镜采用比刚度较高的镜体材料(这里选用碳化硅材料)、轻量化优化设计、合理的装夹工艺、摆镜组件的动静平衡设计以及有限元分析验证，以便寻求到摆镜高面型精度与低转动惯量之间的最优解。

(4)本发明的离轴三反望远成像系统采用视场离轴方式，将光阑放在次镜上，类似于经典的cooke三片式系统，结构较对称，易于装调，具有更强的像差校正能力，视场大，成像质量好，并且易实现像方远心，实现与offner-littrow光谱成像系统的光瞳匹配。

(5)本发明具有良好的杂光抑制性能。摆扫镜前端加窗口保护玻璃(熔融石英材料)，一方面起到离轴三反望远成像光学系统防污染，另一方面窗口表面镀宽带滤光膜；同时在offner-littrow光谱仪入射狭缝处加置滤光片，镀滤光膜控制带外光谱进入光谱仪内部。光谱仪的光栅采用凸面全息光栅，进行像散校正同时具有无鬼线、信噪比提升特点。

(6)本发明中离轴三反望远成像系统和offner-littrow光谱成像系统里的反射镜用结构性能和热性能较好的微晶玻璃材料(zerodur)或ule玻璃材料，表面镀铝加氧化硅保护膜确保镜片工作光谱范围都有95％以上的反射率。

附图说明

图1为本发明的临边观测的差分吸收光谱仪光学系统示意图；

图2为本发明的offner-littrow成像光谱仪光学系统示意图；

图中：1为窗口，2为摆镜，3为退偏器，4为主镜，5为孔径光阑，6为次镜，7为第三反射镜，8为第一分色片，9为第二分色片，10为第i通道入射狭缝，11为第i通道像差校正透镜，12为第i通道凹面反射镜，13为第i通道凸面光栅，14为第i通道探测器，15为第ii通道入射狭缝，16为第ii通道像差校正透镜，17为第ii通道凹面反射镜，18为第ii通道凸面光栅，19为第ii通道探测器，20为第iii通道入射狭缝，21为第iii通道像差校正透镜，22为第iii通道凹面反射镜，23为第iii通道凸面光栅，24为第iii通道探测器。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

如图1、2所示，基于临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统包括摆扫镜系统、离轴三反望远成像系统和offner-littrow光谱成像系统；摆扫镜系统包括窗口1、摆镜2；探测临边信息光经窗口1，通过摆镜2扫描进入后续离轴三反望远成像系统。离轴三反望远成像系统具体包括：主镜4、孔径光阑5、次镜6和第三反射镜7，并且在主镜的前端加置退偏器3。在第三反射镜7后端包括有两个分色片，即第一分色片8和第二分色片9。所述离轴三反望远成像系统中，摆镜2出射的探测光经退偏器3反射到主镜4，经过孔径光阑5入射到次镜6后反射至第三反射镜7。离轴三反望远成像系统通过第一分色片8、第二分色片9形成三个光谱通道。即第一通道(290-380)nm、第二通道(375-480)nm、第三通道(520-610)nm；所述offner-littrow光谱成像系统，和离轴三反望远系统相应谱段匹配也分成三个通道，即第i通道的(290-380)nm、第ii通道(375-480)nm、第iii通道(520-610)nm，具体包括第i通道的offner-littrow光谱成像系统由第i通道入射狭缝10、第i通道像差校正透镜11、第i通道凹面反射镜12、第i通道凸面光栅13、第i通道探测器14组成，第ii通道的offner-littrow光谱成像系统由第ii通道入射狭缝15、第ii通道像差校正透镜16、第ii通道凹面反射镜17、第ii通道凸面光栅18、第ii通道探测器19组成，第iii通道的offner-littrow光谱成像系统由第iii通道入射狭缝20、第iii通道像差校正透镜21、第iii通道凹面反射镜22、第iii通道凸面光栅23、第iii通道探测器24组成。目标物为(290-380)nm波段的光从第一分色片8反射后聚焦到第i通道的(290-380)nm入射狭缝10处，目标物为(375-480)nm波段的光从第二分色片9反射后聚焦到第ii通道(375-480)nm入射狭缝15处，目标物为(520-610)nm波段的光从第二分色片9透射后聚焦到第iii通道(520-610)nm入射狭缝20处；

第一通道(290nm-380nm)波段的光信息从第i通道入射狭缝10经过第i通道像差校正透镜11进入offner-littrow成像光谱仪系统，由第i通道凹面反射镜12反射至第i通道凸面光栅13，分光后转折至第i通道凹面反射镜12处，再经像差校正透镜11聚焦到第i通道的探测器14上；第二通道(375nm-480nm)波段的光信息从第ii通道入射狭缝15经过第ii通道像差校正透镜16进入光谱仪，由第ii通道凹面反射镜17反射至第ii通道凸面光栅18，分光后转折至第ii通道凹面反射镜17处，经像差校正透镜16聚焦到第ii通道探测器19上；第三通道(520nm-610nm)波段光信息从第iii通道入射狭缝20经过第iii通道像差校正透镜21进入光谱仪，由第iii通道凹面反射镜22反射至第iii通道凸面光栅23，分光后转折至第iii通道凹面反射镜22处，经像差校正透镜21聚焦到第iii通道探测器24上。

临边观测的差分吸收成像光谱仪光学系统主要由摆扫镜、离轴三反望远成像系统和后端offner-littrow光谱成像系统三部分组成，三个系统可分离，分别设计、制造、然后合并，同时设计时可以实现离轴三反望远成像光学系统的光学像差在后面的光谱仪分光系统得到补偿。整合系统时，无论是在子系统还是整合系统光学最佳成像、聚焦、倾斜补偿都应该满足。经过凸面光栅成像光谱仪前端成像系统和分光系统的初步设计，分别得到了初始结构。为了提高成像光谱仪的成像质量就必须将后两个初始结构进行一体化设计，将前端望远成像系统和后端光谱分光系统结合起来，作为一个整体系统进行光学系统的优化，在优化的过程中，合理分配两个系统的像差，最终提高整体系统的成像质量。

为了与offner-littrow成像光谱系统的光瞳相匹配，离轴三反望远成像光学系统必须具有像方远心的结构，宽波段范围内系统的分辨力较高，为了满足信噪比的要求，系统还要有较大的相对孔径。离轴三反望远成像系统是临边观测的差分吸收光谱仪的关键部分，为了满足一定视场角、高分辨、无偏振效应等技术要求。紫外到可见光、波段的导入光学系统，采用反射系统是最可行且经济的方案。

如图2所示，本发明offner-littrow成像光谱仪系统中(第一通道为例)包括第i通道入射狭缝10、第i通道像差校正透镜11、第i通道凹面反射镜12、第i通道凸面光栅13、第i通道探测器14。从入射狭缝10入射后，经像差校正透镜11具有一定发散角的多色光准直入射到凹面反射镜12，再由凹面反射镜12反射到凸面光栅13上，因为凸面光栅13的光栅条纹密度足够高，使从它衍射的光束返回到凹面反射镜12，再经像差校正透镜11聚焦到探测器14上。最后狭缝的光谱像被成像到入射狭缝上方的面阵ccd上。本发明中的凸面光栅是offner-littrow成像光谱仪的关键核心器件。利用凸面光栅的offner成像光谱仪在空间和光谱方向都有较好的分辨率，广泛地被用于低色散、大视场的图像光谱仪中。这里的凸面光栅都是根据各自通道特点单独设计技术参数，如刻划线等，尽可能达到较高的衍射效率。衍射的-1级往往被用来成像。当光栅的条纹数增加，较长的波长的衍射光经凹面反射镜的第二次反射后被凸面光栅阻挡，故光栅的色散不能过大。如果光栅的条纹数足够大，使衍射光向上射向凹面镜，这就成了offner-littrow形式。因为谱段不同，各自通道光谱仪的凸面光栅参数不一样，本发明实施根据波段不同，实际设置为第一通道(290-380)nm，刻划线为2631l/mm、第二通道(375-480)nm，刻划线为2159l/mm、第三通道(520-610)nm，刻划线为1539l/mm。

本发明利采用摆扫镜引入临边探测光信息，通过前置离轴三反望远成像，利用分色片分成三个独立的光谱通道，结合offner-littrow光谱成像系统进行探测。整体光学系统具有较高的垂直探测分辨率和高光谱分辨率，整个光学系统体积紧凑。offner-littrow光谱成像性能优异，尤其是畸变的改善，并且易于整个系统的小型化和轻型化，实现了紫外/可见宽谱段探测高光谱分辨率和垂直空间分辨率的要求，特别适合航天临边探测技术应用。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。