留言板

尊敬的读者、作者、审稿人, 关于本刊的投稿、审稿、编辑和出版的任何问题, 您可以本页添加留言。我们将尽快给您答复。谢谢您的支持!

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪设计

张璐 李博 李寒霜 顾国超 王晓旭 邵英秋 林冠宇 叶新

张璐, 李博, 李寒霜, 顾国超, 王晓旭, 邵英秋, 林冠宇, 叶新. 超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪设计[J]. 中国光学(中英文), 2022, 15(5): 1029-1037. doi: 10.37188/CO.2022-0125
引用本文: 张璐, 李博, 李寒霜, 顾国超, 王晓旭, 邵英秋, 林冠宇, 叶新. 超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪设计[J]. 中国光学(中英文), 2022, 15(5): 1029-1037. doi: 10.37188/CO.2022-0125
ZHANG Lu, LI Bo, LI Han-shuang, GU Guo-chao, WANG Xiao-xu, SHAO Ying-qiu, LIN Guan-yu, YE Xin. Hyperspectral resolution ultraviolet dual channel common optical path imaging spectrometer[J]. Chinese Optics, 2022, 15(5): 1029-1037. doi: 10.37188/CO.2022-0125
Citation: ZHANG Lu, LI Bo, LI Han-shuang, GU Guo-chao, WANG Xiao-xu, SHAO Ying-qiu, LIN Guan-yu, YE Xin. Hyperspectral resolution ultraviolet dual channel common optical path imaging spectrometer[J]. Chinese Optics, 2022, 15(5): 1029-1037. doi: 10.37188/CO.2022-0125

超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪设计

基金项目: 黑土地保护与利用科技创新工程专项资助(No. XDA28050102);国家自然科学基金项目(No. 62005268);国家重点研发计划项目资助(No. 2018YFB0504600,No. 2018YFB0504603);中国电波传播研究所稳定支持科研经费资助项目(No. A132001W03)
详细信息
    作者简介:

    张 璐(1997—),女,吉林长春人,硕士,2020年于长春理工大学获得学士学位,主要从事光学设计方面的研究。E-mail:1499201809@qq.com

    李 博(1981—),男,吉林梨树人,博士,副研究员, 2011 年于中国科学院大学获得博士学位,主要从事高光谱遥感总体设计方面的研究。E-mail:libo0008429@163.com

  • 中图分类号: TH744.1

Hyperspectral resolution ultraviolet dual channel common optical path imaging spectrometer

Funds: Supported by Special project of black land protection and utilization science and technology innovation project (No. XDA28050102); National Natural Science Foundation of China (No. 62005268); National Key R&D Program of China undergrant (No. 2018YFB0504600, No. 2018YFB0504603); Stable-Support Scientific Project of China Research Institute of Radiowave Propagation (No. A132001W03)
More Information
  • 摘要:

    针对超光谱分辨率成像光谱仪多通道探测需求,本文设计了一种超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪。该成像光谱仪望远系统采用视场离轴的离轴三反结构,分光系统采用了具有小型轻量化优点的改进型Offner结构。通过对Offner光谱仪结构的理论推导,得出了满足超光谱分辨要求的双通道共光路Offner初始结构参数。为了提高成像光谱仪的成像质量,在Offner结构中引入弯月透镜,并对系统进行逐步优化。最终得到的双通道共光路成像光谱仪工作波段为280~300 nm和370~400 nm,在奈奎斯特频率为27.8 lp/mm时,双通道的调制传递函数(MTF)均优于0.8,全视场均方根半径(RMS)均小于9 μm,光谱分辨率均优于0.1 nm。本文研究对天基超光谱探测成像光谱仪小型化、集成化设计具有重要意义。

     

  • 图 1  改进型Offner结构图

    Figure 1.  Schematic diagram of the improved Offner structure

    图 2  望远镜MTF图

    Figure 2.  MTF image of telescope system

    图 3  望远镜点列图

    Figure 3.  RMS image of telescope system

    图 4  望远镜结构图

    Figure 4.  Structure diagram of the telescope

    图 5  Offner分光系统

    Figure 5.  Offner spectroscopic system

    图 6  通道1 MTF曲线图

    Figure 6.  MTF image of channel 1

    图 7  通道2 MTF曲线图

    Figure 7.  MTF image of channel 2

    图 8  通道1点列图

    Figure 8.  Spot diagram of channel 1

    图 9  通道2点列图

    Figure 9.  Spot diagram of channel 2

    图 10  本文成像光谱仪结构图

    Figure 10.  Structure diagram of the proposed imaging spectrometer

    图 11  成像光谱仪整体通道1的MTF曲线图

    Figure 11.  MTF image of overall channel 1 in imaging spectrometer

    图 12  成像光谱仪整体通道2的MTF曲线图

    Figure 12.  MTF image of overall channel 2 in imaging spectrometer

    图 13  成像光谱仪整体通道1的点列图

    Figure 13.  Spot diagram of overall channel 1 in imaging spectrometer

    图 14  成像光谱仪整体通道2的点列图

    Figure 14.  Spot diagram of overall channel 2 in imaging spectrometer

    表  1  本文成像光谱仪的主要技术指标要求

    Table  1.   Main technical index requirements of the designed spectrometer

    ParameterValue
    Height/km600
    Spectral range /nm280~300、370~400
    F3.8
    Swath/ km100
    Field of view /(°)9.5
    GSD/m≤50
    Spectral resolution /nm≤0.1
    Detector’s pixel size /μm9×9
    Detector’s array size /pixel4096×4096
    Sampling2×2 binning
    MTF≥0.5@27.8 lp/mm
    下载: 导出CSV

    表  2  系统最终的设计参数

    Table  2.   Final design parameters of the system

    ParameterValue
    Spectral range /nm280~300、370~400
    F3.8
    Focal length of telescope f /mm238
    Field of view /(°)9.5
    GSD/m45.37
    Slit length/mm40
    diffraction order1
    grating period/nm450
    Spectral resolution /nm0.069
    MTF>0.8@27.8 lp/mm
    RMS/μm<9
    下载: 导出CSV
  • [1] REININGER F M, DAMI M, PAOLINETTI R, et al. Visible infrared mapping spectrometer-visible channel (VIMS-V)[J]. Proceedings of SPIE, 1994, 2198: 239-250. doi: 10.1117/12.176753
    [2] WELLMAN J B, DUVAL J, JUERGENS D, et al. Visible and infrared mapping spectrometer (VIMS): a facility instrument for planetary missions[J]. Proceedings of SPIE, 1987, 0834: 213-221. doi: 10.1117/12.942301
    [3] KÖHLER J, JANSEN R, IRIZAR J, et al. Sentinel 5 instrument and UV1 spectrometer subsystem optical design and development[J]. Proceedings of SPIE, 2021, 11852: 118522M.
    [4] BONI A, TAITI A, BINI A, et al. Sentinel-5 short-wave infrared spectrometer optical design[J]. Proceedings of SPIE, 2018, 10690: 106901J.
    [5] LOVE S P, OTT L A, POST K W, et al. NACHOS, a CubeSat-based high-resolution UV-Visible hyperspectral imager for remote sensing of trace gases: system overview and science objectives[J]. Proceedings of SPIE, 2021, 11832: 118320E.
    [6] 孙允珠, 蒋光伟, 李云端, 等. 高分五号卫星方案设计与技术特点[J]. 上海航天,2019,36(S2):1-13. doi: 10.19328/j.cnki.1006-1630.2019.S.001

    SUN Y ZH, JIANG G W, LI Y D, et al. GF-5 satellite system design and technological characteristics[J]. Aerospace Shanghai, 2019, 36(S2): 1-13. (in Chinese) doi: 10.19328/j.cnki.1006-1630.2019.S.001
    [7] 刘银年, 孙德新, 胡晓宁, 等. 高分五号可见短波红外高光谱相机设计与研制[J]. 遥感学报,2020,24(4):333-344.

    LIU Y N, SUN D X, HU X N, et al. Development of visible and short-wave infrared hyperspectral imager onboard GF-5 satellite[J]. Journal of Remote Sensing, 2020, 24(4): 333-344. (in Chinese)
    [8] 毕研盟, 王倩, 杨忠东, 等. 碳卫星高光谱二氧化碳探测仪基于太阳夫琅禾费吸收线的在轨波长定标[J]. 大气科学,2022,46(3):645-652.

    BI Y M, WANG Q, YANG ZH D, et al. TanSat ACGS on-orbit wavelength calibration using the solar Fraunhofer lines[J]. Chinese Journal of Atmospheric Sciences, 2022, 46(3): 645-652. (in Chinese)
    [9] 王龙, 蔺超, 纪振华, 等. 碳卫星CO2探测仪发射前的漫反射板定标[J]. 光学 精密工程,2018,26(8):1967-1976. doi: 10.3788/OPE.20182608.1967

    WANG L, LIN CH, JI ZH H, et al. Preflight diffuser’s calibration of carbon dioxide spectrometer of Tan Sat[J]. Optics and Precision Engineering, 2018, 26(8): 1967-1976. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20182608.1967
    [10] 范纪泽, 李博, 张璐, 等. 应用于作物荧光检测的改进型Offner光谱仪设计[J]. 中国光学,2021,14(6):1459-1467. doi: 10.37188/CO.2021-0073

    FAN J Z, LI B, ZHANG L, et al. Design of an improved Offner spectrometer for crop fluorescence detection[J]. Chinese Optics, 2021, 14(6): 1459-1467. (in Chinese) doi: 10.37188/CO.2021-0073
  • 加载中
图(14) / 表(2)
计量
  • 文章访问数:  820
  • HTML全文浏览量:  296
  • PDF下载量:  277
  • 被引次数: 0
出版历程
  • 收稿日期:  2022-06-14
  • 修回日期:  2022-07-07
  • 网络出版日期:  2022-08-03

目录

    /

    返回文章
    返回