日光诱导叶绿素荧光探测超光谱成像仪光学系统的制作方法

本发明属于高光谱成像技术领域和空间光学技术领域，具体涉及一种日光诱导叶绿素荧光探测超光谱成像仪光学系统。

背景技术：

日光诱导叶绿素荧光是植物光合生产力的直接表征，被称为植物健康状况和光合作用的“探针”，遥感荧光信号可直接指示无胁迫条件下的植物光合生产力大小和植物受外界环境胁迫程度，在植被生态应用中具有十分重要的科学和应用价值。日光诱导叶绿素荧光通常淹没在植被冠层反射信号中，其能量仅占比1％左右，为了将这种荧光光谱信息从冠层反射光谱中准确分离出来，需要光学遥感仪器上具备超高的光谱分辨率和信噪比，以及一定的成像分辨能力。这些探测和反演需求传统植被光学遥感高光谱成像仪器不能满足。

日光诱导叶绿素荧光的特殊探测机理要求探测用的高光谱成像仪器必须在荧光波段(670-780nm)具备亚纳米级(0.3nm)的光谱分辨率和超高的信噪比(平均200，最高1000)，同时保证一定的视场覆盖和成像能力，这样探测数据才能够有效反演荧光信息。但是分辨率与信噪比之间存在着明显的制约关系，必须设计出新型的超光谱成像光学系统，才能满足应用需求。

日光诱导叶绿素荧光探测超光谱成像仪属于新兴技术领域，成熟的遥感仪器极少。欧空局正在开展的flex(fluorescenceexplorer)项目是未来第一个星上荧光遥感载荷，这台仪器视场角为10.8°，地面像元空间分辨率0.75mrad，通过2个分立的探测通道覆盖500-780nm的工作波段，在短波部分光谱分辨率2nm，在长波部分光谱分辨率最小为0.3nm。不同观测模式下最小信噪比115，最大信噪比1015。该载荷预计于2022年发射应用。芬兰specim公司的植物荧光光谱成像仪(aisaibisfluorescenceimager)是市面上唯一一个商用产品。作为目前市面上仅有的日光诱导叶绿素荧光光谱成像探测仪器，其工作波段覆盖了670-780nm的可见-近红外波段，光谱采样间隔0.11nm，最小光谱分辨率0.33nm，仪器视场角32.3°，空间分辨率1.5mrad，最小信噪比高于100。目前我国在该领域仪器的研制正处于发展阶段，尚无成熟产品和遥感仪器得到应用。

满足日光诱导叶绿素荧光探测需求的超光谱成像探测仪是未来植被生态遥感应用中的一个重要手段，对本仪器的研制技术攻关主要集中于实现仪器的超高光谱分辨率、高信噪比和良好的光学成像能力。

与中国专利201811012191.8相比，本发明有以下不同点：

(1)本发明为完善的植被日光诱导叶绿素荧光超光谱成像仪光学系统，包含望远镜和成像光谱仪，可实现对无穷远至近处的完善成像能力，而专利201811012191.8不具备这种成像能力；

(2)专利201811012191.8其孔径光阑在光栅上，光路近似物方远心；本发明孔径光阑放置于望远镜中，全系统实现了较为完善的像方远心，且因孔径光阑的改变而使得成像光谱系统的准直镜组和聚焦镜组设计方式和形式均发生了改变，其组成的透镜类型和曲率半径与专利201811012191.8完全不同；

(3)本发明明确使用全息体相位透射光栅，专利201811012191.8中使用的是一般透射光栅，其衍射效率、闪耀波长、衍射能力均有极大不同。

技术实现要素：

为了打破国外技术封锁，突破日光诱导叶绿素荧光探测超光谱成像仪关键技术研制，本发明的目的在于：在保证远心、平像场和接近衍射极限的前提下，提供一种超高光谱分辨率成像光谱仪光学系统设计，该系统工作于670nm-780nm波段，视场角20°，像元光谱采样0.05～0.1nm/像元，光谱分辨率优于0.3nm，空间分辨率1mrad，成像质量接近衍射极限，可对无穷远到1m处目标进行成像观测，整体传输效率在50％以上，f数1.8～3之间，可实现极高的信噪比。

本发明所采用的技术方案如下：

日光诱导叶绿素荧光探测超光谱成像仪光学系统，包括：窗口1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、孔径光阑5，第四透镜6、第五透镜7、第六透镜8、第七透镜9、第八透镜10、狭缝11、第九透镜12、第十透镜13、第十一透镜14、第十二透镜15、第十三透镜16、第十四透镜17、全息体相位透射光栅18、第十五透镜19、第十六透镜20、第十七透镜21、第十八透镜22、第十九透镜23、第二十透镜24和像面25。其中窗口1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、孔径光阑5、第四透镜6、第五透镜7、第六透镜8、第七透镜9和第八透镜10组成望远镜，该望远镜为像方远心；狭缝11、第九透镜12、第十透镜13、第十一透镜14、第十二透镜15、第十三透镜16、第十四透镜17组成成像光谱系统的准直镜组；第十五透镜19、第十六透镜20、第十七透镜21、第十八透镜22、第十九透镜23和第二十透镜24组成成像光谱系统的聚焦镜组；准直镜组将狭缝11出射光投射在全息体相位透射光栅18上，全息体相位透射光栅18的刻线密度为1200线/mm，可对准直镜组的准直光进行分光，并经聚焦镜组形成连续色散光谱成像投射到像面25上。依次排列的准直镜组、全息体相位透射光栅18和聚焦镜组共同组成成像光谱系统，该成像光谱系统为物方远心。

所述光学系统的工作波段为670nm～780nm，f数1.8～3之间，像元光谱采样0.05～0.1nm/像元，成像质量接近衍射极限，整体传输效率在50％以上。

本发明的有益效果是：在国内首次实现了日光诱导叶绿素荧光被动探测的超光谱成像仪光学系统设计。该系统视场角达到20°，可以满足一般空间光学应用的视场范围，保证了仪器对地观测的画幅宽度，可以获得较为丰富的植被生态环境信息量；全系统为远心系统，且具备实入瞳，可确保各类入射光束限制装置的应用；光学系统f数极小，各光学元件透射效率在670-780nm可以达到98％以上，且全息体相位透射光栅在此波段衍射效率可达70％以上，确保光学系统的能量传输效率达到56％以上，可以实现极高的信噪比；光学系统设计最终像面上的像元光谱采样率为0.05～0.1nm/像元，使用多像元合实现优于0.3nm的光谱分辨率；系统中各组成元件均为球面透镜，易于加工，系统公差宽松，利于装配。

附图说明

图1本发明一种日光诱导叶绿素荧光超光谱成像仪光学系统结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式方式进一步说明本发明。

本发明属于高光谱成像技术领域和空间光学技术领域，是一种专用于植被日光诱导叶绿素荧光被动遥感的高光谱成像光学系统。本发明按图1所示的结构实施，该结构中的组成部分包括：窗口1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、孔径光阑5，第四透镜6、第五透镜7、第六透镜8、第七透镜9、第八透镜10、狭缝11、第九透镜12、第十透镜13、第十一透镜14、第十二透镜15、第十三透镜16、第十四透镜17、全息体相位透射光栅18、第十五透镜19、第十六透镜20、第十七透镜21、第十八透镜22、第十九透镜23、第二十透镜24和像面25。其中窗口1、第一透镜2、第二透镜3、第三透镜4、孔径光阑5、第四透镜6、第五透镜7、第六透镜8、第七透镜9和第八透镜10组成望远镜，该望远镜为像方远心；狭缝11、第九透镜12、第十透镜13、第十一透镜14、第十二透镜15、第十三透镜16、第十四透镜17组成成像光谱系统的准直镜组；第十五透镜19、第十六透镜20、第十七透镜21、第十八透镜22、第十九透镜23和第二十透镜24组成成像光谱系统的聚焦镜组；准直镜组将狭缝11出射光投射在全息体相位透射光栅18上，全息体相位透射光栅18的刻线密度为1200线/mm，可对准直镜组的准直光进行分光，并经聚焦镜组形成连续色散光谱成像投射到像面25上。依次排列的准直镜组、全息体相位透射光栅18和聚焦镜组共同组成成像光谱系统，

本发明通过对成像光谱仪像差理论的研究和系统光焦度分配的分析完成对系统中各个组成元件的设计。系统工作波段较窄，如采用反射式系统达到大视场、小f数和高光学成像能力的要求较为困难，成本高，加工装调困难，因此光学系统构型采用了透射式系统。

在望远镜设计上，采用像方远心设计，确保与后端光谱仪的有效对接，同时保证对任意远距离的精确成像，视场角为20°，以双高斯结构为初始原型结构，更改其中的透镜材料为常用光学玻璃，并利用光焦度不变原理对后端镜组进行了拆解分析，最终获得了优化前置望远系统。其中透镜6、7为胶合透镜组，透镜9、10为胶合透镜组。望远镜焦距为31.2mm，对应狭缝11长度为11mm。

光学系统拟采用探测器像元数为2048×2048，像素大小为11微米，设置成像光谱系统狭缝宽度为0.033mm，成像光谱系统放大倍率为1:1，故狭缝对应三个像元大小。系统数值孔径与前置望远系统f数匹配，系统采用全息体相位透射光栅，衍射效率超过70％，可充分保证系统的能量收集效率和信噪比。根据光谱分辨率要求，设定像面25上像元光谱采样频率为0.05-0.1nm/像元，则根据光谱分辨率要求计算成像光谱系统的准直镜组和聚焦镜组焦距最小为240mm，光栅刻线密度为1200线/mm。为了简化设计难度，在进行初始设计时将透射光栅18设定为平面透射镜，将设计系统的准直镜组和聚焦镜组设计为形式上对称的结构，获得初始的良好成像效果；之后将平面透射镜改为设计所需的光栅参数，并适当调整聚焦镜组中各元件的光学参数，实现具备优越成像质量的成像光谱光学系统设计。准直镜和聚焦镜的初始基础系统同样为双高斯结构，但是孔径光阑则置于光栅上，通过材料更改、曲率半径变化等优化进而重新分配了系统的光焦度，修正了系统的高阶像差量和色差，实现了像质的最优化。

综合考虑到成像光谱仪的光学系统成本、材料性能和装配精度，结合工程实际应用性考虑，给出了各光学优化参数如表1。

表1超光谱成像仪光学元件参数