[发明专利]一种用于机载水色探测的紫外-可见-近红外成像光谱仪

说明书

本发明公开了一种用于机载水色探测的紫外‑可见‑近红外成像光谱仪，包括：扁椭球主镜，扁椭球次镜，狭缝，熔石英半球透镜，两片熔石英弯月透镜，低密度刻线凹面光栅和平场像面。本发明中的成像光谱仪具有体积小，结构紧凑，能量传输收集能力强的特点，完全可以满足包含紫外波段的机载水色成像光谱探测要求。望远系统方面，采用了双扁椭球凸—凹反射镜系统，可以实现大视场和高分辨率的光学性能；成像光谱系统采用Dyson反射式光栅系统，该系统与Offner系统同属同心光谱仪系统，但是结构更紧凑，光学性能更好；本设计得到的改进系统F数可达1.5～3，结构紧凑、性能优越、简便易行，适用于工程应用。

技术领域

本发明属于成像光谱技术领域，具体涉及一种用于机载水色探测的紫外-可见-近红外成像光谱仪。

背景技术

成像光谱仪器在遥感领域中具有不可替代的作用，通过星载、机载等各类平台，成像光谱仪可以对所要遥感的目标进行实时监测和分析，从而获得目标二维成像细节和光谱信息组成的信息立方体，进而通过对这些数据信息的分析实现相关的监测和预报能力，其数据的高精度和大信息量具有其他探测仪器无法比拟的优越性。

适用于飞机平台的水色探测成像光谱仪的先进科学要求如下：具备紫外-可见-近红外宽谱段探测能力，空间覆盖率大，空间分辨率高，光谱分辨率好；仪器能量传输能力强，尤其在紫外波段需要较高的信噪比，因此系统F数要小，光学元件组成尽量少；结构紧凑、体积小、重量轻，便于机载。符合这类要求的成像光谱仪主要为Offner系统和Dyson系统等同心类光谱仪。其中Offner成像光谱仪已经在很多场合得到广泛应用，而Dyson成像光谱仪相比于Offner成像光谱仪，其结构更为紧凑，制作和装调更为简单，且在小F数下成像能力更具优势。但是由于其过于紧凑的系统结构，使得各元件的光机结构极难放置，因此在实际工程应用上远不及Offner系统。目前已有一些研究对Dyson成像光谱仪结构进行了改进，以使其具有更大的间距摆放各个元件：在国外，Warren等人在结构中增加了高次非球面镜来离散化Dyson结构；Wynne等人则通过增加更多的光学元件的变量参量的方法增大间距；国内也有研究利用Fery棱镜来代替结构中的光栅从而获得更大放置空间的方法。但是以上这些方法都没有在根本上解决Dyson成像光谱仪结构过于紧凑的问题。

为了实现以上要求，同时重点解决Dyson光谱仪的工程化问题，我们选用了双扁椭球反射镜望远系统作为成像光谱仪望远镜，其F数可达到2，视场可达30°，并且在320nm-1000nm都具有良好的成像能力，为了保证对远处目标的成像要求，我们将该望远系统设计成像方远心系统；针对Dyson系统，我们做了改进性研究，通过改变原有熔石英半球厚透镜为熔石英半球薄透镜和两片熔石英弯月透镜，大大增加了狭缝、探测器和光学元件之间的轴向和垂向间距，为了匹配前端望远系统，成像光谱系统的数值孔径为0.25，两套系统设计完毕后，在狭缝处进行匹配，最终成功获得了一种新型的成像光谱仪系统。

发明内容

本发明的目的是提供一种适用于机载水色探测的紫外-可见-近红外宽波段探测的成像光谱仪的系统设计。

本发明采用的技术方案为：一种用于机载水色探测的紫外-可见-近红外成像光谱仪，包括滤光片，主镜，次镜，狭缝，折转平面镜，熔石英半球透镜，第一熔石英弯月透镜，第二熔石英弯月透镜，凹面光栅和像面，远处目标经滤光片后入射进望远镜内，经过主镜，次镜成像在狭缝上；由狭缝出射的光经熔石英半球透镜、第一熔石英弯月透镜和第二熔石英弯月透镜后入射在凹面光栅上，凹面光栅色散并反射入射光束，被色散反射的光束经第二熔石英弯月透镜、第一熔石英弯月透镜和熔石英半球透镜聚焦成像于像面上。

该光谱仪的全系统F数为2，工作波段为320nm～1000nm，视场30°，空间分辨率1mrad，光谱分辨率3.5nm，狭缝和像面在轴向上与熔石英半球透镜具有一定间距，并在垂向上存在足量间距，且二者均不在熔石英半球透镜和凹面光栅的共心上。