一种超广角短波红外推扫超光谱成像仪的光学系统

摘要

一种超广角短波红外推扫超光谱成像仪的光学系统，属于空间光学遥感技术领域，涉及的一种光谱成像光学系统。本发明要解决的技术问题是：提供一种超广角短波红外推扫超光谱成像仪的光学系统。解决的技术方案是由前置物镜组和光谱成像反射镜组构成，前置物镜组和光谱成像反射镜组中的各光学元件之间的间隔距离使用光学设计软件优化确定，为校正像差且提高透过率，使用了普通光学玻璃中短波红外谱段有优良透过率的玻璃材料，光谱反射镜组和前置物镜组采用了组合设计方法校正像差，使系统在1μm～2.5μm谱段具有优良的成像质量，能够实现超广角成像，视场角达到90°。

说明书

技术领域：

本发明属于空间光学遥感技术领域，涉及的一种超广角短波红外推扫超光 谱成像仪的光学系统。

背景技术：

在空间科学及地球信息科学领域，超光谱成像系统能同时获得观测目标的 空间几何信息及光谱信息，是重要的目标特征获取手段，在国民经济及科学研 究等方面具有很广泛的应用前景，同时随着当今红外焦平面的尺寸增大，迫切 需求大视场、高灵敏度的红外谱段超光谱成像仪。

与本发明较为接近的超光谱短波红外成像光谱仪的光学系统是中国科学院 上海技术物理研究所王欣等人设计的《一种棱镜分光成像光谱仪的光学系统》 (专利申请号：200910197304.0)，如图1所示，包括狭缝1，准直离轴反射镜2， 色散棱镜3，成像离轴反射镜4，离轴球面校正透镜5，像面6。准直离轴反射 镜2和狭缝1的距离为d1，准直离轴反射镜2和成像离轴反射镜4的间隔距离 为d2，色散棱镜3位于准直离轴反射镜2的反射光路上，和准直离轴反射镜2 的间隔距离为d3-d2，成像离轴反射镜4位于色散棱镜3的反射光路上，和色散 棱镜3的间隔距离为d3，离轴球面校正透镜5位于成像离轴反射镜4的反射光 路上，和成像离轴反射镜4的间隔距离为d4，像面6和离轴球面校正透镜5的 间隔距离为d5。准直离轴反射镜2和成像离轴反射镜4分别为二次双曲面反射 镜和椭球面反射镜，它们的焦距分配考虑总系统的焦距要求，并分别将光束准 直和会聚；色散棱镜3的两个面的角度设计既要满足系统的光谱分辨率要求， 同时也要满足系统的光谱弯曲和光谱非线性要求；离轴球面校正透镜5的设计 用来校正轴外大视场光束的像差，减小光谱弯曲，由于该系统设计不含前置物 镜，校正像差能力有限，视场角仅能达到1.43度，无法满足大视场应用的需求， 而国内外目前尚未见到超广角短波红外超光谱成像系统设计报道。

已有的超光谱成像系统的前置物镜大都和光谱成像系统分开设计，在校正 整体像差上能力有限，并且在短波红外成像系统设计中普遍选用了红外波段材 料，红外波段材料尽管能够在红外波段有效的提升能量透过率，但是红外波段 材料的加工性能无法和普通光学玻璃材料相比，难以设计出大视场低畸变高质 量的光学系统，而且红外材料价格非常高昂。

发明内容：

为克服已有技术存在的设计视场角较小、成本较高等缺陷，本发明的目的 在于：获取超广角短波红外超光谱成像光学系统，最大限度的增大能够获得的 地面目标光谱信息。

本发明要解决的技术问题是：提供一种超广角短波红外推扫超光谱成像仪 的光学系统。解决技术问题的技术方案如图2所示，是由前置物镜组和光谱成 像反射镜组构成，其中前置物镜组包括第一透镜7、第二透镜8、第三透镜9、 第四透镜10、第五透镜11、第六透镜12、孔径光阑13、第七透镜14、第八透 镜15、第九透镜16、第十透镜17；光谱成像反射镜组包括入射狭缝18，主反 射镜19、凸面光栅反射镜20、第三反射镜21、线阵CCD22。

在前置物镜组中，在同一光轴上自左至右依次排列第一透镜7、第二透镜8、 第三透镜9、第四透镜10、第五透镜11、第六透镜12、孔径光阑13、第七透镜 14、第八透镜15、第九透镜16、第十透镜17，其中第一透镜7和第二透镜8之 间的间隔距离为d6，第二透镜8和第三透镜9之间的间隔距离为d7，第三透镜 9和第四透镜10之间的间隔距离为d8，第四透镜10和第五透镜11之间的间隔 距离为d9，第五透镜11和第六透镜12之间的间隔距离为d10，第六透镜12和 孔径光阑13之间的间隔距离为d11，第七透镜14在孔径光阑后0.1mm处，第 七透镜14的后表面和第八透镜15的前表面胶合在一起构成胶合面，第八透镜 15和第九透镜16之间的间隔距离为d12，第九透镜16和第十透镜17之间的间 隔距离为d13；光谱反射镜组为同心三反射成像光学系统，在光谱反射镜组中， 主反射镜19与前置物镜组中的第十透镜17在同一光轴上，在第十透镜17和主 反射镜19形成的光路中，在前置物镜组的后焦面处放置入射狭缝18主反射镜 19与前置物镜组中第十透镜17之间的间隔距离为d14，凸面光栅反射镜20在 主反射镜19的反射光路上，与主反射镜19的间隔距离为d15，第三反射镜21 在凸面光栅反射镜20的反射光路上，与凸面光栅反射镜20的间隔距离为d16， 线阵CCD22在第三反射镜21的反射光路上，与第三反射镜21的间隔距离为 d17。

本发明的工作原理是：用于推扫成像时，来自不同视场的地物目标信息进 入前置物镜组，依次通过第一透镜7、第二透镜8、第三透镜9、第四透镜10、 第五透镜11、第六透镜12、孔径光阑13、第七透镜14、第八透镜15、第九透 镜16、第十透镜17，在前置物镜组后焦点处形成特定的条形视场。各透镜之间 的距离通过使用光学设计软件优化，充分考虑了系统像差校正，前置物镜组中 选用了几种在短波红外谱段有优良透过率的玻璃(例如ZBAF4和ZF12)，即满 足透射率要求同时更加容易校正色差，场曲。

通过入射狭缝18的不同视场光线经过主反射镜19准直入射到凸面光栅反 射镜20上，入射的光线在凸面光栅反射镜20表面发生衍射，经光栅衍射的各 波段光通过第三反射镜21会聚反射至线阵CCD22上，实现不同谱段成像。主 反射镜18、凸面光栅反射镜19、第三反射镜20、线阵CCD21之间的间隔距离 经过光学设计软件优化，满足系统对焦距的需求。在光谱成像反射镜组中采用 新式的凸面反射光栅同心三反射成像(Offner)结构，其中将凸面设置为光栅反 射镜，并且光谱反射镜组采用和前置物镜组组合设计的方法，由于前置物镜组 存在一定的非远心特征，因此光谱成像反射镜组中三个反射镜的通光尺寸略有 变化。例如凸面光栅反射镜20在光谱成像系统的单独设计中为孔径光阑，应该 为圆形，但在系统组合后变为长圆形，光谱成像系统反射镜孔径形状如图3所 示。

本发明的积极效果是：

在短波红外波段实现超光谱、大视场，其视场角达到90°，推扫成像，无 运动部件，能量集中度高。光谱成像系统采用新式的凸面反射光栅同心三反射 成像(Offner)结构，系统更加紧凑，降低了系统重量，且色畸变小，无谱线弯 曲。

采用前置物镜和光谱成像系统组合设计，使该光学系统在1μm～2.5μm波 段内具有良好的成像质量，系统各视场调制传递函数(MTF)均大于0.4。

本系统在前置物镜组中大量采用了普通光学玻璃材料校正短波红外像差， 在获得优良像质的同时，极大降低了设计成本。

附图说明：

图1为已有技术的光路结构示意图。

图2为本发明的光学系统结构示意图。

图3为本发明中光谱成像反射镜组各反射镜的孔径平面示意图。

图4为本发明的光学系统各元件的具体参数表格。

具体实施方式：

本发明按照图2所示的光学系统结构实施，为了增加光学系统的能量透过 率，对前置成像物镜组的玻璃进行了挑选。在普通玻璃中，有几个牌号的玻璃 在短波红外谱段具有优良的透过率，例如ZBAF4和ZF12。因此，本发明在满 足透射率要求的基础上大量采用了这两种普通玻璃材料来校正色差，场曲。其 中第一透镜7、第三透镜9、第六透镜12、第九透镜16、第十透镜17为熔石英 材料，第二透镜8、第四透镜10、第八透镜15为重火石光学玻璃材料ZF12，第 五透镜11为重钡火石光学玻璃材料ZBAF4，第七透镜14为氟化钙光学晶体材 料。

光学系统设计指标为光谱范围1μm～2.5μm，256条光谱通道，前置物镜组 具体设计参数指标如下：

焦距：15mm；

相对孔径：1/4.5；

视场角：2ω＝90°；

光谱范围：1000nm～2500nm；

外形：Ф53mm×150mm；

光谱成像系统具体设计参数指标如下：

工作波长：1000nm～2500nm；

狭缝长度：30.12mm；

狭缝像色散宽度：7.68mm；

色畸变：0.35μm；

谱线弯曲：0.22μm；

光栅频率：72线/mm；

要实现上述两组光学系统参数指标，前置物镜组和光谱反射镜组中的光学 元件技术要求需按图4所示表格内的技术数据执行。