超光譜成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種光譜成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，特別涉及一種適用于高精度探測大氣0)2柱濃度微小變化的超光譜成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]CO2作為重要的溫室氣體，其排放不斷增加引起的氣候問題已經(jīng)成為全球關(guān)注的環(huán)境問題之一，高精度測量大氣CO2濃度，確定大氣CO 2濃度隨時(shí)間和空間變化，探尋CO 2源匯及其位置，對研宄CO2氣候效應(yīng)是重要的。為此，日本、美國、歐盟等國家都在積極研發(fā)溫室氣體監(jiān)測衛(wèi)星。
[0003]然而，目前國內(nèi)外研發(fā)的溫室氣體成像光譜儀面臨著體積大、重量重等問題。其中，日本 GOSAT (Greenhouse gases Observing Satellite)中溫室氣體探測儀 TANSO-FTS(Thermal and Near-1nfrared Sensor for Carbon Observat1n-Fourier TransformSpectrometer)為4通道傅里葉變換光譜儀，體積為1.2mX 1.1mX0.7m，重量為250kg ；美國0C0-2 (Orbiting Carbon Observatory)為3通道大面積光柵光譜儀，體積為
1.6mX0.6mX0.4m，重量為135kg ;為降低衛(wèi)星監(jiān)測大氣0)2濃度成本，研制體積小、質(zhì)量輕的超光譜成像光譜儀具有廣闊的應(yīng)用前景。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有的高精度測量大氣CO2超光譜成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)存在的體積大、重量重等不足，提供一種能滿足超光譜成像光譜儀成像質(zhì)量要求，體積小、質(zhì)量輕的適用于高精度探測大氣0)2柱濃度微小變化的超光譜成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)。
[0005]為實(shí)現(xiàn)上述發(fā)明目的，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是:一種大氣0)2超光譜成像光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)，光學(xué)系統(tǒng)工作于三個(gè)波段，分別為O2-A帶0.758 ym?0.772 μ m、弱0)2波段1.591 μ m?1.621 μ m和強(qiáng)CO2波段2.044 μ m?2.080 μ m，三個(gè)波段的中心波長衍射光束衍射角近似相等；光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)為:包括一臺前置系統(tǒng)、一臺分光系統(tǒng)和三個(gè)焦平面探測器；所述的前置系統(tǒng)為反射式結(jié)構(gòu)，包括兩片面形均為二次曲面的反射鏡，沿光線入射方向，依次為第一片反射鏡和第二片反射鏡，兩片反射鏡的頂點(diǎn)曲率半徑依次為&和R2，相對于前置系統(tǒng)焦距歸一化時(shí)，滿足條件3.0彡R1^ 3.5，3.0彡R2S 3.5 ;所述的分光系統(tǒng)包括入射狹縫、準(zhǔn)直系統(tǒng)、一塊中階梯浸沒衍射光柵、成像系統(tǒng)和兩組二向色性分光鏡，沿光線入射方向，依次為分光系統(tǒng)的第一片反射鏡，第二片反射鏡和第三片反射鏡，準(zhǔn)直系統(tǒng)和成像系統(tǒng)共用該三片反射鏡，三片反射鏡的面型依次為四次非球面、球面和二次曲面，三片反射鏡的頂點(diǎn)曲率半徑依次為R3、R4和R5，相對于成像系統(tǒng)或準(zhǔn)直系統(tǒng)焦距歸一化時(shí)，滿足條件-1 ( R3^ -0.95，-0.65 ^ R4^ -0.6,-2 ^ R5^ -1.95 ;中階梯浸沒衍射光柵工作于李特羅條件，三個(gè)工作波段分別使用的衍射級次為38級、18級和14級；所述的兩組二向色性分光鏡包括兩塊二向色性分光鏡和一塊平板玻璃，置于像面與分光系統(tǒng)的第一片反射鏡之間；所述的三個(gè)焦平面探測器分別置于三個(gè)工作波段的像面處。
[0006]本發(fā)明所述的前置系統(tǒng)中，第一塊反射鏡與第二塊反射鏡共光軸，孔徑光闌置于第二片反射鏡的物方焦平面處，滿足像方遠(yuǎn)心。分光系統(tǒng)的三片反射鏡為共光軸設(shè)置。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明提供的大氣CO2超光譜成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)采用反射形式，無色差；前置系統(tǒng)由兩片共軸反射鏡組成，分光系統(tǒng)由三片共軸反射鏡、一塊中階梯浸沒衍射光柵和兩組二向色性分光鏡組成；三個(gè)波段共用同一前置系統(tǒng)、入射狹縫和分光系統(tǒng)，具有大視場，結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積微小的特點(diǎn)，符合航天用有效載荷輕小要求；系統(tǒng)光譜分辨率高，適用于對大氣CO2濃度的高精度探測。
【附圖說明】
[0008]圖1是本發(fā)明實(shí)施例提供的大氣CO2超光譜成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2是本發(fā)明實(shí)施例提供的大氣CO2超光譜成像光譜儀前置系統(tǒng)的光路示意圖；
圖3是本發(fā)明實(shí)施例提供的大氣CO2超光譜成像光譜儀分光系統(tǒng)的光路示意圖；
圖4是本發(fā)明實(shí)施例提供的大氣CO2超光譜成像光譜儀中階梯浸沒衍射光柵的示意圖；
圖5是本發(fā)明實(shí)施例提供的分光系統(tǒng)弱CO2波段譜線彎曲曲線圖；
圖6是本發(fā)明實(shí)施例提供的分光系統(tǒng)弱CO2波段色畸變曲線圖；
圖7是本發(fā)明實(shí)施例提供的光學(xué)系統(tǒng)的光線追跡點(diǎn)列圖；
圖8是本發(fā)明實(shí)施例提供的光學(xué)系統(tǒng)弱CO2波段長波限衍射能量集中度曲線圖；
圖9是本發(fā)明實(shí)施例提供的光學(xué)系統(tǒng)弱CO2波段長波限調(diào)制傳遞函數(shù)曲線。
[0009]圖中:1和2、入射方向主光線；3、前置系統(tǒng)第一塊反射鏡；4、孔徑光闌；5、前置系統(tǒng)第二塊反射鏡；6、前置系統(tǒng)光軸；7、入射狹縫；8，9和10、入射方向主光線；11、分光系統(tǒng)第一塊反射鏡；12、分光系統(tǒng)第二塊反射鏡；13、分光系統(tǒng)第三塊反射鏡；14、中階梯浸沒衍射光柵；15和16、二向色性分光鏡；17、平板玻璃；18、分光系統(tǒng)光軸；19，20和21、探測器；22、入射光線；23和24、不同波長衍射光線。
【具體實(shí)施方式】
[0010]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對發(fā)明的實(shí)施方案作進(jìn)一步闡述。
[0011]實(shí)施例1
本實(shí)施例的技術(shù)方案是適用于大氣CO2超光譜成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，前置系統(tǒng)視場20 °，工作波段0.758 μ???2.080 μm，焦距14mm，F(xiàn)數(shù)4 ;分光系統(tǒng)工作波段O2-A帶0.758 μ m ?0.772 μ m、弱 CO2M 段 1.591 μ m ?L 621 μ m 和強(qiáng) CO 2波段 2.044 μ m ?
2.080 μ m，三個(gè)波段光譜分辨本領(lǐng)均為21000。
[0012]參見附圖1，它是本實(shí)施例提供的適用于大氣CO2超光譜成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；該光學(xué)系統(tǒng)包括一臺前置系統(tǒng)、一臺分光系統(tǒng)和三個(gè)焦平面探測器19、20和21。它的體積為長227_X寬191_X高121_。前置系統(tǒng)包括兩片反射鏡3和5 ;分光系統(tǒng)包括入射狹縫7、準(zhǔn)直系統(tǒng)、一塊中階梯浸沒衍射光柵14、成像系統(tǒng)和兩組二向色性分光鏡，兩組二向色性分光鏡包括兩塊二向色性分光鏡15和16及一塊平板玻璃17，置于像面與分光系統(tǒng)的第一片反射鏡11之間，準(zhǔn)直系統(tǒng)和成像系統(tǒng)共用三片反射鏡11、12和13 ;三個(gè)焦平面探測器19、20和21分別置于O2-A帶、弱0)2波段和強(qiáng)CO 2波段像面處。入射光經(jīng)前置系統(tǒng)第一片反射鏡3和第二片反射鏡5后成像于狹縫7處(豎直放置)，通過狹縫7的光經(jīng)分光系統(tǒng)的第一片反射鏡11，第二片反射鏡12和第三片反射鏡13組成的準(zhǔn)直系統(tǒng)準(zhǔn)直后，入射到中階梯浸沒衍射光柵14，經(jīng)光柵14色散分光后，經(jīng)反射鏡13，反射鏡12和反射鏡11組成的成像系統(tǒng)成像，并由兩組二向色性分光鏡15、16和17把不同波段的光分開后