一种双入射狭缝高分辨率成像光谱系统的制作方法

本发明涉及一种双缝入射成像光谱系统，特别涉及一种可以用于地面望远镜系统、星载、机载的光谱成像仪的高分辨率、高像质、长狭缝、快速重访时间的光学系统设计。技术背景光谱成像仪于20世纪80年代在多光谱遥感成像技术基础上发展起来，能够以高光谱分辨率获取景物和目标的超多谱段图像，在大气、海洋和陆地观测中有着广泛的应用。光谱成像仪是成像技术和光谱技术的有机结合，通过在连续成像空间上进行连续光谱测量对目标进行“定性、定量、定时、定位”分析和动态过程检测，实现了获得物体空间信息的同时可以得到目标的光谱信息。光谱成像系统中的分光模式有色散型和干涉型，色散型所使用的色散元件主要有：色散棱镜、干涉滤光片、平面闪耀光栅等。棱镜分光光谱成像仪会形成谱线弯曲；干涉分光光谱成像仪的力学、热学稳定性对干涉谱的准确性影响较大，而且在轨光谱定标难度大。因此光栅色散成像光谱仪比棱镜、滤波器、干涉型等其他类型成像光谱仪具有显著优点。传统光栅色散型成像光谱仪的主要限制因素是当系统孔径大时，会产生较大的光学畸变、高衍射级次的杂散光等，严重影响了光谱纯度并限制了后期数据处理算法的精确度。凹面光栅因小巧紧凑常用于便携式光谱仪，凸面光栅光谱仪因其对称结构、全反射式和像场大等优点较多应用于航天高分辨率高光谱成像系统中。1987年d.kwo首次提出了基于offner同心分光结构的凸面光栅成像光谱仪，该系统以凸面光栅为色散元件，结构简单、易实现大孔径。这种设计保证所有第三级像差为零，仅存在第五级像散。1999年，m.p.chrisp对系统进行了改进，显著提高了凸面光栅成像光谱仪的成像质量。与传统成像光谱仪相比，基于offner结构的凸面光栅成像光谱仪具有大孔径、低光学畸变、结构简单、易于实现小型化的特性，降低了成像光谱仪的设计难度和后端数据处理的复杂度，提高了成像光谱分析的准确度。美国nrl开发的一种高效推扫式高光谱成像仪philis，所用光谱仪为hyperspectmvm～15，波段为400～1000nm，地面采样率为25m和130m，焦距为180mm。采用offner结构，选用1024×1024背照式ccd，光谱成像只利用了1024×512像元，每个像元分辨1.13nm光谱。在推扫成像光谱仪中，为了在保证信噪比的条件下实现高分辨率和快速的重访时间，往往需要较大的系统，以及更昂贵的费用。而在光纤成像光谱仪中，在保证各项性能指标不变的基础上，扩大视场也必然会增加系统的体积以及费用。因此，当前各成像光谱仪难以同时满足高光谱分辨率、高像质、快速重访时间、较低成本以及空间系统高集成化。技术实现要素：针对望远镜系统要求的高分辨率、高像质、长狭缝、快速重访时间，以及空间系统中高集成化的应用背景，本发明公开一种双缝offner式成像光谱系统，以便解决上述相关问题。本发明通过以下技术方案实现：系统包括双入射狭缝1、凹面反射主镜2、凸面反射光栅3、凹面反射次镜4、校正透镜5、滤光片6、面阵探测器7，其特征在于：所述的双入射狭缝1对应两个不同视场，材料为铝合金6061；所述的凹面反射主镜2、次镜3的面型为球面；所述的凸面反射光栅3的面型为球面，系统光阑放在光栅上；所述的校正透镜5为弯月形透镜，材料为熔融石英；所述的面阵探测器7的像元尺寸12um，像元数为6k×6k。系统具体设计如下：1、入射狭缝元件的设计系统入射狭缝元件选用并列双缝设计，双缝尺寸相同，符合系统指标要求。双缝间隔考虑探测器参数、系统光谱分辨率以及系统尺寸，使透过双缝的光束经过分光子系统后，展开的光谱无重叠。2、分光子系统的设计系统分光元件选用凸面反射光栅，凸面光栅综合性较佳，色散线性有利于定量化应用；闪耀波长选择与探测器响应、太阳光谱辐照度匹配设计可以获得较好的探测灵敏度一致性；反射式结构比较容易实现焦面稳定性和辐射光谱稳定性，适合于空间环境应用。凸面光栅光谱仪因其对称结构、全反射式和像场大等优点较多应用于航天高分辨率高光谱成像系统中。分光子系统采用offner结构，基于offner同心结构的凸面光栅成像光谱仪的分光子系统由3个光学元件组成：2个凹球面反射镜和1个凸面光栅。同时3个光学元件共球心，凸面光栅位于两球面反射镜之间，是分光子系统的关键元件，也是限制凸面光栅成像光谱仪效率的主要因素。经由望远镜或光纤束收集到的光束通过双入射狭缝进入分光子系统，经凹面主镜反射到凸面闪耀光栅表面，在光栅表面按波长色散后，经由凹面次镜反射会聚至探测器。由此，面阵探测器获取到的垂直光栅刻线的一维呈现的是两个狭缝入射光束的两组光谱信息，平行于光栅刻线的一维是与狭缝形状相似的精细条纹；如果是光纤束入射，则平行于光栅刻线的一维是不同光纤对应的位置维。此外，在设计优化中，引入了一块非球面弯月形透镜，用于减小系统像差，光阑位于凸面反射光栅上。设计本身具有大孔径、低光学畸变、结构简单、易于实现小型化的特性，降低了成像光谱仪的设计难度和后端数据处理的复杂度，提高了成像光谱分析的准确度。分光器件的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，凸面反射光栅的衍射级次为-1级，光栅尺寸与刻线密度根据波段、光谱采样率决定。3、探测子系统设计探测子系统包括滤光片和面阵探测器两部分。由于系统工作波段为200nm～550nm，因此需要在探测器前装置一块马赛克滤光片来消除400nm～550nm处200nm～275nm的二级衍射光谱。考虑到双缝的展开光谱及分辨率，面阵探测器像元尺寸12um，像元数为6k×6k。如上所述，根据本发明的一种双入射高分辨率光谱成像系统，其包括双入射狭缝1、凹面反射主镜2、凸面反射光栅3、凹面反射次镜4、校正透镜5、滤光片6、面阵探测器7。来自条带型地表目标的辐射经前置望远镜进入系统，通过狭缝后的光谱辐射能量，经由主镜反射至凸面反射光栅，由反射光栅分光，把不同狭缝的不同波长的光分开，再经次镜反射会聚在面阵探测器7上，实现精密光谱成像。所述的双缝入射高分辨率光谱成像系统的f/5，光谱分辨率为0.04nm；工作波长为200～550nm，体积小于70×400×1050mm3。与现有技术相比，本发明的优点在于：成像光谱系统在满足大视场、高光谱分辨率、高信噪比的前提下，双缝入射可以满足快速重访时间、较低成本以及空间系统高集成化；基于offner结构的凸面光栅成像光谱系统可以实现大孔径、低光学畸变、结构简单、易于实现小型化。附图说明图1是本发明实施例所提供的双缝高光谱成像系统的光路示意图；图2是本发明实施例所提供的双缝高光谱成像系统组件示意图；图3是本发明实施例所提供的双缝高光谱成像系统的狭缝元件结构示意图；其中：1、双入射狭缝；2、凹面反射主镜；3、凸面反射光栅；4、凹面反射次镜；5、校正透镜；6、滤光片；7、面阵探测器。具体实施方式下面结合图给出本发明一个较好的实施例，主要用作进一步详细说明本发明的特点，而非用来限定本发明的范围：图1是本发明具体实施例的双缝高光谱成像系统的光路示意图。参见附图1，来自目标的双条带型辐射信号经过前端望远镜系统后分别成像于视场光阑双狭缝1上，透过双狭缝1的辐射能量经由凹面反射主镜2，反射到凸面反射光栅3上，把不同波长的光分开，不同波长的光线在凸面反射光栅3反射出后，沿着不同的角度反射至凹面反射次镜4上，经由凹面反射次镜4反射出，进入校正透镜5，最终经过滤光片6汇聚到面阵探测器7的不同位置，实现谱线分离。面阵探测器7上显示的是呈精细条纹状的像，其中缝1的展开光谱位于探测器下半部分，缝2的展开光谱位于探测器上半部分。由于采用了offner结构，系统实现放大率为1:1的成像。图2是上述光谱成像系统组件示意图。参见附图2，其中分光子系统由凹面反射主镜2、凸面反射光栅3、凹面反射次镜4、校正透镜5构成；探测子系统由滤光片6、面阵探测器7构成。其中凸面反射光栅3的光栅常数为每毫米190线对。图3是本发明具体实施例所提供的光谱成像系统中双入射狭缝元件结构示意图。参见附图3，每个狭缝尺寸均为50mm×125um，狭缝间间隔为35mm，本专利中采用狭缝元件材料为铝合金6061。系统工作波长为200nm～550nm，光谱范围350nm，数值孔径na为0.1，狭缝尺寸为50mm×125um，狭缝间间隔为35mm，光谱分辨率达到0.04nm，探测器像元尺寸12um，像元数为6k×6k，系统放大率为1:1。全系统反射镜面为全球面设计，材料为零膨胀微晶玻璃，校正透镜材料为熔融石英。全视场内系统弥散斑rms半径在5um以内，小于1/2探测器像元尺寸，系统体积为70×400×1050mm3。系统主要光学参数：光学元件曲率半径(mm)直径(mm)凹面反射主镜1006.5232凸面反射光栅510.6106凹面反射次镜987.9288.6校正透镜497.1/547.7160系统保证了在工作波段内满足高光谱分辨率、高像质的前提下，同时实现快速重访时间、较低成本以及空间系统高集成化设计。当前第1页12