一种双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统

摘要

本发明属于光谱成像技术领域，公开了一种双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统，第一入射狭缝和第二位于第一凹球面反射镜前方，同时位于其中一个焦点附近；第一曲面棱镜和第二球面棱镜位于第一凹球面反射镜和凸球面反射镜之间，且靠近凸球面反射镜，减小曲面棱镜的体积和重量，增强材料选择的灵活性，降低加工难度。采用第一和第二两块曲面棱镜在增加色散能力的同时，增加像差校正能力。光谱仪像面上同时获得第一入射狭缝和第二入射狭缝的光谱像，将面阵探测器交错拼接放置，实现超大视场高分辨率光谱成像。本发明与超大口径望远系统连接用于静止轨道大幅宽高光谱遥感探测；与超大视场望远镜连接，用于机载或低轨大幅宽高光谱遥感探测。

权利要求

1.一种双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统，其特征在于，包括第一入射狭缝、第二入射狭缝、第一凹球面反射镜、第一曲面棱镜、第二曲面棱镜、凸球面反射镜、第二凹球面反射镜和像面；

第一入射狭缝和第二入射狭缝为光谱仪的物面，从第一和第二狭缝出射的光线经第一凹球面反射镜反射后入射到第一曲面棱镜上，依次经过第一曲面棱镜和第二曲面棱镜色散后入射到凸球面反射镜上，经凸球面反射镜反射后，再依次经过第二曲面棱镜和第一曲面棱镜色散后入射到第二凹球面反射镜上，经过第二凹球面反射镜分光谱成像在像面上，在像面上同时获得第一狭缝和第二狭缝的光谱像，在像面上，将面阵探测器交错拼接放置，实现超大视场高分辨率光谱成像；

所述第一入射狭缝和第二位于第一凹球面反射镜前方，同时位于其中一个焦点附近；

所述第一曲面棱镜和第二球面棱镜位于第一凹球面反射镜和凸球面反射镜之间，且靠近凸球面反射镜；

所述第一和第二两块曲面棱镜在增加色散能力的同时，增加像差校正能力；光谱仪像面上同时获得第一入射狭缝和第二入射狭缝的光谱像，将面阵探测器交错拼接放置，实现超大视场高分辨率光谱成像；

第一曲面棱镜和第二曲面棱镜为不同的玻璃材料，二者之间的空气间隔足：2mm≤d1≤

10mm，第二曲面棱镜与凸球面反射镜的空气间隔d2满足：2mm≤d2≤10mm。

2.如权利要求1所述双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统，其特征在于，第一入射狭缝和第二入射狭缝相互平行，在色散方向上分开的距离d满足5mm≤d1≤30mm，狭缝长度l满足:90≤l1≤150mm。

3.如权利要求1所述双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统，其特征在于，第一曲面棱镜的第一工作表面和第二工作表面均为标准球面，第二曲面棱镜的第一工作表面和第二工作表面均为标准球面。

4.如权利要求1所述双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统，其特征在于，像面上面阵列探测器交错拼接，探测器拼接长度90≤l’1≤150mm。

5.如权利要求1所述双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统，其特征在于，像面在色散平面内的倾角‑5°≤α≤5°。

6.一种如权利要求1～5任意一项所述双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统在静止轨道大幅宽高光谱遥感探测中的应用，其特征在于，所述双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统与超大口径望远系统连接。

7.一种如权利要求1～5任意一项所述双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统在机载或低轨大幅宽高光谱遥感探测中的应用，其特征在于，所述双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统与超大视场望远镜连接。

说明书

一种双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统

技术领域

[0001] 本发明涉及光谱成像技术领域，尤其涉及一种双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统。

背景技术

[0002] 随着高光谱遥感技术的发展，陆地、海洋和大气探测领域要求高时空分辨率，因此，对成像光谱仪的视场要求也越来越高，视场越大，幅宽越大，仪器的回访周期就越小，因
为视场越大则刈幅宽度越大，仪器的回访周期就越小，时间分辨率就越高。成像光谱仪由前
置望远镜和光谱仪两部分组成，二者通过入射狭缝有机地连接在一起。光谱仪光学系统是
成像光谱仪的核心和关键。美国典型的成像光谱仪Hyperion的光谱仪采用Offner凸面光栅
色散结构，视场仅为7.65mm。我国研制的天宫一号成像光谱仪的光谱仪平面棱镜色散结构，
视场仅为18mm。中科院光电院冯蕾(光学学报，39(5)：0511002)设计的曲面棱镜高光谱成像
的光谱仪视场仅为14mm，如图1所示。其特征是，第一曲面棱镜位于入射臂，靠近第一凹球面
反射镜，第二曲面棱镜位于出射臂，靠近第二凹球面反射镜，曲面棱镜的口径与凹球面反射
镜的口径接近，口径大，体积和重量大。现有光谱仪光学系统的视场不能满足成像光谱探测
需求，迫切需要超大视场光谱仪光学系统，视场要求达到90mm～150mm。而现有短波红外面
阵探测器的尺寸仅为30mm，单个探测器无法实现90mm‑150mm超大视场成像探测。

[0003] 综上所述，现有技术存在的问题是：现有光谱仪光学系统入射狭缝为单狭缝，光谱仪的视场小，信息获取能力差，时间分辨率低，不能满足迫切的超大视场光谱仪应用需求。

[0004] 解决上述技术问题的难度：视场越大，入射狭缝越长，像差校正越困难。另外，受现有面阵探测器尺寸的限制，需要面阵探测器交错拼接，单狭缝无法实现，需要采用双狭缝，
双狭缝相当于增加了光谱仪物面的尺寸，进一步增加了像差校正难度。

[0005] 解决上述技术问题的意义：解决上述技术问题，可以打破现有面阵探测器尺寸的限制，设计出超大视场光谱仪光学系统，实现超大幅宽超大视场光谱成像探测，满足陆地、
海洋和大气高光谱遥感高时间分辨率动态观测需求。

发明内容

[0006] 针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统，提供一种能实现超大视场光谱成像的设计方案。

[0007] 本发明是这样实现的，一种双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统，包括第一入射狭缝、第二入射狭缝、第一凹球面反射镜、第一曲面棱镜、第二曲面棱镜、凸球面反
射镜、第二凹球面反射镜和像面。第一和第二入射狭缝为光谱仪的物面，从第一和第二狭缝
出射的光线经第一凹球面反射镜反射后入射到第一曲面棱镜上，依次经过第一曲面棱镜和
第二曲面棱镜色散后入射到凸球面反射镜上，经凸球面反射镜反射后，再依次经过第二曲
面棱镜和第一曲面棱镜色散后入射到第二凹球面反射镜上，经过第二凹球面反射镜分光谱
成像在像面上，在像面上同时获得第一狭缝和第二狭缝的光谱像，在像面上，将面阵探测器
交错拼接放置，实现超大视场高分辨率光谱成像。

[0008] 所述第一入射狭缝和第二位于第一凹球面反射镜前方，同时位于其中一个焦点附近；

[0009] 所述第一曲面棱镜和第二球面棱镜位于第一凹球面反射镜和凸球面反射镜之间，且靠近凸球面反射镜，减小曲面棱镜的体积和重量，增强材料选择的灵活性，降低加工难
度。

[0010] 所述第一和第二两块曲面棱镜在增加色散能力的同时，增加像差校正能力。光谱仪像面上同时获得第一入射狭缝和第二入射狭缝的光谱像，将面阵探测器交错拼接放置，
实现超大视场高分辨率光谱成像。

[0011] 进一步，所述第一入射狭缝和第二入射狭缝相互平行，在色散方向上分开的距离d满足5mm≤d1≤30mm，狭缝长度l满足:90≤l1≤150mm。

[0012] 进一步，所述第一曲面棱镜和第二曲面棱镜为不同的玻璃材料，二者之间的空气间隔d1满足2mm≤d1≤10mm，第二曲面棱镜与凸球面反射镜的空气间隔d2满足：2mm≤d2≤
10mm

[0013] 进一步，所述第一曲面棱镜的第一工作表面和第二工作表面均为标准球面，第二曲面棱镜的第一工作表面和第二工作表面均为标准球面。

[0014] 进一步，所述像面上面阵列探测器交错拼接，探测器拼接长度90≤l′1≤150mm。

[0015] 进一步，所述像面在色散平面内的倾角‑5°≤α≤5°。

[0016] 综上所述，本发明的优点及积极效果为：

[0017] 本发明提供了一种双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统，提供一种能实现超大视场光谱成像的设计方案。光谱仪的视场从现有的十几毫米提高到90～150mm，从而
增大了成像光谱仪的幅宽，减小了重访周期，提高了时间分辨率。本发明中，两个曲面棱镜
均位于凸球面反射镜附近，减小了曲面棱镜的体积和重量；光线两次经过曲面棱镜1和曲面
棱镜2，提高了色散率，在相同光谱分辨率的条件下，光谱仪的体积减小一半以上。本发明与
现有光谱仪的技术参数比较如表1所述。

[0018] 表1本发明与现有光谱仪技术参数的比较

[0019]

附图说明

[0020] 图1为现有一种曲面棱镜色散光谱仪光学系统的结构示意图。

[0021] 图2为本发明提供的双狭缝曲面棱镜色散超大视场光谱仪光学系统的结构示意图。

[0022] 图中：1、第一入射狭缝；2、第二入射狭缝；3、第一凹球面反射镜；4、第一曲面棱镜；5、第二球面棱镜；6、凸球面反射镜；7、第二凹球面反射镜；8、像面；9、第一入射狭缝色散光
谱像；10、第二入射狭缝色散光谱像。

[0023] 图3为像面8上探测器交错拼接示意图。

[0024] 图4为图2所示的双狭缝曲面棱镜色散光谱仪光学系统第一入射狭缝在波长1.0μm的光学传递函数曲线。

[0025] 图5为图2所示的双狭缝曲面棱镜色散光谱仪光学系统第一入射狭缝在波长2.5μm的光学传递函数曲线。

[0026] 图6为图2所示的双狭缝曲面棱镜色散光谱仪光学系统第二入射狭缝在波长1.0μm的光学传递函数曲线。

[0027] 图7为图2所示的双狭缝曲面棱镜色散光谱仪光学系统第二入射狭缝在波长2.5μm的光学传递函数曲线。

[0028] 图8为图2所示的双狭缝曲面棱镜色散光谱仪光学系统的三维光学结构图。

具体实施方式

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于
限定本发明。

[0030] 下面结合具体实施例对本发明的技术方案与技术效果做进一步说明。

[0031] 如图1所示，第一入射狭缝1和第二入射狭缝位于光谱仪物面，狭缝长度为120mm，从第一辐射狭缝1和第二入射狭缝2出射的光线经第一凹球面反射镜3反射后入射到第一曲
面棱镜4上，依次经过第一曲面棱镜4和第二曲面棱镜5色散后入射到凸球面反射镜6上，经
凸球面反射镜5反射后，再依次经过第二曲面棱镜5和第一曲面棱镜4色散后入射到第二凹
球面反射镜7上，经过第二凹球面反射镜7分光谱成像在像面上，在像面8上同时获得第一入
射狭缝的光谱像9和第二入射狭缝的光谱像10，在像面上，将面阵探测器交错拼接放置，实
现超大视场高分辨率光谱成像。

[0032] 本实施例中，超大视场光谱仪工作波段为1.0μm～2.5μm，光谱仪视场120mm，第一曲面棱镜的材料为F_Silica，第二曲面棱镜的材料为ZnSe。光谱仪的光学参数表2所示。

[0033] 表2光谱仪光学参数

[0034]

[0035] 探测器采用短波红外MCT探测器，像元尺寸30μm×30μm，像元数1024×256，如图3所示，采用5篇探测器交错拼接。图4为图2所示的双狭缝曲面棱镜色散光谱仪光学系统在入
射波长1.0μm的光学传递函数曲线，图5为图2所示的双狭缝曲面棱镜色散光谱仪光学系统
在入射波长2.5μm的光学传递函数曲线。从图4和图5可以看出，光学传递函数>0.5@17lp/
mm，获得了良好的成像质量。图6为图2所示的双狭缝曲面棱镜色散光谱仪光学系统的三维
光学结构图，从图6可以看出，本发明利用靠近凸球面反射镜的两块曲面棱镜色散，棱镜的
体积和重量小，容易加工，利于实际工程应用。利用双狭缝曲面棱镜色散，像面上探测器交
错拼接，实现了120mm超大视场光谱成像。该超大视场光谱仪可以4m口径，21.6m焦距的超大
口径望远镜连接，组成静止轨道成像光谱仪，用于静止轨道光谱遥感探测，成像光谱仪幅宽
达到200km。

[0036] 以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。