[发明专利]一种星载成像光谱仪的分光系统及其分光方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种适用于超大幅宽、高空间分辨率、中高光谱分辨率的星载成像光谱仪的分光装置及其分光方法，属于光谱成像技术领域。

背景技术

上世纪80年代，随着对地观测应用的发展需要，成像光谱技术兴起。它是综合了空间成像技术和光谱成像技术的新兴领域，极大地拓宽了人们在航天遥感领域、农林资源探测、矿物资源与地质勘探、军事侦测、生物医疗等方面的应用范围。

成像光谱仪分光装置结构可分为色散型、干涉型等。传统的色散型分光装置结构形式主要有：平面光栅Czerny-Turner型分光装置、凸面光栅Offner型分光装置、凹面光栅Dyson型分光装置等。这些结构在中短狭缝时能够很好的满足仪器指标要求，但是对于需满足超大幅宽、高空间分辨率要求的长狭缝系统而言，存在较大像差且光谱图像易失真。只能采用视场拼接的方式，将长狭缝系统分为多个中短狭缝系统拼接而成，拼接后的系统结构复杂，体积庞大。

星载成像光谱仪和机载成像光谱仪一般对仪器的重量、体积等几何物理量要求较高，过大的体积和重量导致仪器的生产、制造、发射等成本急剧增加，尤其是星载成像光谱仪，对仪器的重量和体积要求更为严格。

现有文献所报道的分光装置中，多为中短狭缝系统，如文献“小型Offner光谱成像系统的设计”（ 郑玉权. [J].光学·精密工程, 2005, 13(6): 650.）、“Offner成像光谱仪的设计方法”（ 佟亚军,吴刚,周全,等. [J].光学学报, 2010 (4): 1148-1152.）中的传统凸面光栅Offner装置，文献“红外成像光谱测量中Dyson光学系统的研究进展”（ 刘玉娟,唐玉国,巴音,等. [J].光谱学与光谱分析, 2012, 32(2): 548-552.）中的凹面光栅Dyson装置、“星载车尔尼-特纳型成像光谱仪像差校正的研究” （薛庆生,王淑荣,鲁凤芹. [J].光学学报, 2009, 29(1): 35-40.）及中国发明专利“.一种柱面消像散光栅色散性成像光谱仪光路结构.”（CN 102183304A）中公开的平面光栅Czerny-Turner装置，它们的狭缝长度都在30mm以内，仅凭单台分光系统难以满足超大幅宽和高空间分辨率的应用需求。目前，狭缝长度超过60mm的分光装置未见报道。因此亟需设计一种紧凑的非拼接的超长狭缝分光装置以满足遥感应用中对超大幅宽、高空间分辨率的需求。

上世纪80年代末，Wynne提出在一比一成像的Offner中继系统中置入弯月形透镜，可补偿大视场成像时的球差和像散，实现较好的成像质量。在开启对Offner型成像光谱仪的研究之后，不少学者又进一步发展和完善了Offner-Wynne型分光装置的理论，在成像光谱仪器的应用中能够获得比传统Offner装置更紧凑的结构和更优的成像质量，如文献“Compact Offner–Wynne imaging spectrometers”（ Prieto-Blanco X, de la Fuente R. [J]. Optics Communications, 2014, 328: 143-150.）中所阐述。同样，现有技术均未涉及用于解决长狭缝分光系统的问题。

发明内容

本发明针对现有技术存在的不足，提供一种具有狭缝超长、成像质量良好、光谱分辨率较高、结构紧凑、易于加工装调特点，并能满足超大幅宽、高空间分辨率星载成像光谱仪需求的分光系统及其分光方法。

为实现上述发明目的技术方案是提供一种星载成像光谱仪的分光方法，从长度为60mm～120mm的狭缝入射的远心光线，经弯月形透镜折射和凹球面反射镜反射后，以会聚光束的形式入射到凸球面光栅上；所述的会聚光束经凸球面光栅衍射后实现光谱分光；分光后得到的发散光束依次通过凹球面反射镜反射和弯月形透镜折射，成像于像平面，实现光谱成像。

本发明技术方案还包括一种星载成像光谱仪的分光系统，它的分光装置采用凸面光栅Offner-Wynne型结构，包括狭缝、弯月形透镜、凹球面反射镜）、凸球面光栅和像平面；所述的分光装置在空间上关于凸球面光栅的主截面对称；从狭缝入射的远心光线经弯月形透镜折射、球面反射镜反射后，光束会聚入射到凸球面光栅上，发散光束再依次经凹球面反射镜反射和弯月形透镜折射，成像于像平面，实现光谱成像；所述狭缝长度的取值范围为60mm～120mm。

在本发明技术方案中，凸球面光栅与弯月形透镜的后表面重合，且曲率相等。

所述凸球面光栅为直线型或曲线型等间距槽光栅。