CN102967560B - 双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪*** - Google Patents
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Abstract
双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪***，涉及成像光谱技术领域，解决包含紫外波段的宽波段、大动态范围临边成像光谱探测的难题。包括两个宽带滤光片、望远镜、入射狭缝、准直镜、两个平面光栅、成像镜、平面折转镜和两个面阵焦平面探测器；第一宽带滤光片和第二宽带滤光片对应两个通道，经两个通道的光经望远镜成像在入射狭缝上，从入射狭缝出射的光经准直镜准直后分别入射到两个平面光栅上，经光栅色散后入射到成像镜上，经一通道的光经成像镜成像到第一面阵焦平面探测器上，经另一通道的光经成像镜成像再经平面折转镜折叠后入射在第二面阵焦平面探测器上。本发明适用于空间遥感大气痕量气体探测需要。
Description
技术领域
本发明涉及成像光谱技术领域，具体涉及一种双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪***。
背景技术
大气痕量气体探测是监测大气环境和进行气候研究的重要手段，临边成像光谱仪是一种用于大气痕量气体探测的新型空间光学遥感仪器，具有空间覆盖范围大和垂直分辨率高的特点，受到科学家的青睐。在紫外波段内，大气临边光谱辐亮度随临边高度和波长的变化较小，约为102～103量级，因此探测相对容易。但仅在紫外波段，许多大气成分的探测受到限制，为了更好地实现地球大气环境监测的科学目标，迫切需要发展宽波段大气临边探测技术，波段越宽，可探测的大气痕量气体的种类就越多。但宽波段大气临边探测比紫外大气临边探测难度大的多，主要难点在于宽波段内大气临边光谱辐亮度随临边高度和波长的变化范围很大，在包含紫外波段的宽波段范围（例如280～1000nm）内，临边高度0～90km范围内，临边光谱辐亮度变化达到106量级，而一般的光电探测器（如CCD探测器和光电二极管探测器）的动态范围只有103～104，不能满足探测要求。因此迫切需要解决宽波段大动态范围大气临边成像光谱探测的问题。
发明内容
本发明为解决宽波段大动态范围临边成像光谱探测的问题，本发明的目的是提供一种双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪***，可以有效解决宽波段大动态范围大气痕量气体临边成像光谱探测的问题。
双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪***，包括第一宽带滤光片、第二宽带滤光片、望远镜、入射狭缝、准直镜、第一平面光栅、第二平面光栅、成像镜、平面折转镜、第一面阵焦平面探测器和第二面阵焦平面探测器；光束经第一宽带滤光片和第二宽带滤光片后分别对应通过第一通道和第二通道，通过第一通道的光束经望远镜和入射狭缝后出射至准直镜准直，所述经准直后的光束入射至第一平面光栅，经第一平面光栅色散后的光束经成像镜成像在第一面阵焦平面探测器上；通过第二通道光束经望远镜和入射狭缝后出射至准直镜准直，经准直的光束入射到第二平面光栅上，经第二平面光栅色散后的光束经成像镜和平面折转镜折叠后入射在第二面阵焦平面探测器上。
本发明的有益效果：本发明所述的***把要探测的宽波段临边光谱辐射亮度分成短波和长波两个波段，分别对应两个通道，两个通道分别使用第一平面光栅和第二平面光栅，第一平面光栅和第二平面光栅都是闪耀光栅，具有较高的衍射效率，第一平面光栅和第二平面光栅共用望远镜、入射狭缝、准直镜和成像镜，这种双光栅共光路的结构减小了宽波段临边成像光谱仪的体积和重量，特别适合空间遥感应用。
附图说明
图1为本发明所述的双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪***的结构示意图。
图中，1、第一宽带滤光片，2、第二宽带滤光片，3、第一通道，4、第二通道，5、望远镜，6、入射狭缝，7、第一平面光栅，8、第二平面光栅，9、准直镜，10、成像镜，11、第一面阵焦平面探测器，12、第二面阵焦平面探测器，13、平面折转镜。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪***，利用双光栅共光路分成第一通道3和第二通道4两个通道实现宽波段大动态范围探测，包括第一宽带滤光片1、第二宽带滤光片 2、望远镜5、入射狭缝6、准直镜9、第一平面光栅7、第二平面光栅 8、成像镜10、平面折转镜13、第一面阵焦平面探测器11和第二面阵焦平面探测器12；所述第一宽带滤光片1、第二宽带滤光片2对应第一通道3、第二通道4，第一通道1和第二通道2的光经望远镜5成像在入射狭缝6上，从入射狭缝6出射的光经准直镜9准直后入射到第一平面光栅7、第二平面光栅8上，经光栅色散后入射到成像镜10上，第一通道3的光经成像镜10成像到第一面阵焦平面探测器11上，第二通道4的光经成像镜10成像再经平面折转镜13折叠后入射在第二面阵焦平面探测器12上。
本实施方式所述的第一通道3和第二通道4的探测波段分别由第一宽带滤光片1和第二宽带滤光片2的透射波段决定，第一通道3的探测波段为短波，光信号弱，第二通道4的探测波段为长波，光信号强。例如第一通道3的探测波段为280～510nm，第二通道4的探测波段为505～1000nm。为了平衡第一通道3和第二通道4的光信号，第一通道3的口径大于第二通道4的口径，例如第一通道3的口径为8.8mm，第二通道4的口径为4.6mm。达到增强弱信号的目的。
本实施方式所述的第一通道3和第二通道4分别利用第一平面光栅7和第二平面光栅8，第一平面光栅7和第二平面光栅8共用望远镜5、入射狭缝6、准直镜9和成像镜10。望远镜5为离轴抛物面，比如望远镜5的半径为137.6mm，二次曲面系数为-1，离轴量为16.86mm。准直镜9为离轴非球面镜，比如准直镜9的半径为324.8mm，二次曲面系数为-2.667，离轴量为19.23mm。第一平面光栅7和第二平面光栅8均为闪耀光栅，比如第一平面光栅7的闪耀波长为350nm，刻线密度为300 g/mm，第二平面光栅8的闪耀波长为760nm，刻线密度为145 g/mm，成像镜10为离轴非球面镜，比如成像镜10的半径为329.2mm，二次曲面系数为-1.764，离轴量为48.02mm。
本实施方式所述的第一面阵焦平面探测器11和第二面阵焦平面探测器12为面阵CCD探测器，比如面阵CCD探测器为E2v公司的CCD47-20。
具体实施方式二、本实施方式为具体实施方式一所述的双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪***的应用实施例，本实施例的具体过程为：
宽波段临边成像光谱仪的视线对准大气临边某高度切线方向的大气进行观测，2.4°×0.02°的一个条带的大气临边辐射第一宽带滤光片1、第二宽带滤光片2分成两个通道入射到望远镜5上，第一通道3的波段范围为280～510nm，第二通道4的波段范围为505～1000nm，第一通道3的口径为8.8mm，第二通道4的口径为4.6mm，达到了增强弱信号的目的。两个通道的光辐射经离轴抛物面望远镜5成像在同一入射狭缝6上，望远镜5半径为137.6mm，入射狭缝6尺寸为2.88mm×0.024mm。从入射狭缝6出射的光经准直镜9准直后分别入射到第一平面光栅7和第二平面光栅8上，经光栅色散后入射到同一成像镜10上，第一通道3经成像镜10成像到第一面阵焦平面探测器11上，第二通道4经成像镜10再经平面折转镜13折转后成像到第二面阵焦平面探测器12上。第一平面光栅7的闪耀波长为350nm，刻线密度300 g/mm，第二平面光栅8的闪耀波长760nm，刻线密度145 g/mm。准直镜9和成像镜10均为离轴双曲面，二次曲面系数分别为-2.667和-1.766。整个临边成像光谱仪***的焦距为68.8mm。第一面阵焦面探测器11、第二面阵焦面探测器12的像元尺寸为26μm×26μm，像元数512×512。
本实施方式中双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪对大气临边0～90km的大气进行成像光谱探测，探测波段280～1000nm，临边垂直方向空间分辨力3km，280～505nm波段，光谱分辨力1nm，510～100nm波段，光谱分辨力2nm。临边探测仪探测的临边亮度随临边高度和波长的变化反应了大气痕量气体的空间分布信息，通过对获取的临边光谱数据信息分析和处理，可以反演大气痕量气体的垂直分布信息，为大气环境监测和气候研究等提供重要数据支持。
Claims (5)
1.双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪***，包括第一宽带滤光片(1)、第二宽带滤光片(2)、望远镜(5)、入射狭缝(6)、准直镜(9)、第一平面光栅(7)、第二平面光栅(8)、成像镜(10)、平面折转镜(13)、第一面阵焦平面探测器(11)和第二面阵焦平面探测器(12)；其特征是，光束经第一宽带滤光片(1)和第二宽带滤光片(2)后分别对应通过第一通道(3)和第二通道(4)，通过第一通道(3)的光束经望远镜(5)和入射狭缝(6)后出射至准直镜(9)准直，所述经准直后的光束入射至第一平面光栅(7)，经第一平面光栅(7)色散后的光束经成像镜(10)成像在第一面阵焦平面探测器(11)上；通过第二通道(4)光束经望远镜(5)和入射狭缝(6)后出射至准直镜(9)准直，经准直的光束入射到第二平面光栅(8)上，经第二平面光栅(8)色散后的光束经成像镜(10)和平面折转镜(13)折叠后入射在第二面阵焦平面探测器(12)上。
2.根据权利要求1所述的双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪***，其特征在于，所述第一宽带滤光片(1)和第二宽带滤光片(2)的透射波段不同，第一通道(3)和第二通道(4)的口径不同。
3.根据权利要求1所述的双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪***，其特征在于，所述望远镜(5)为离轴抛物面镜。
4.根据权利要求1所述的双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪***，其特征在于，所述准直镜(9)为离轴双曲面镜。
5.根据权利要求1所述的双光栅共光路宽波段临边成像光谱仪***，其特征在于，所述成像镜(10)为离轴双曲面镜。
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