面向小行星探测的可见-红外光谱成像光学系统 
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Visible-Infrared Imaging Spectrometer for the Exploration of Asteroids
1 苏州大学光电科学与工程学院教育部现代光学技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
2 苏州大学光电科学与工程学院江苏省先进光学制造技术重点实验室, 江苏 苏州 215006
图 & 表
图 1. 高岭石、埃洛石和蒙脱石的VNIR-SWIR波段反射光谱及局部放大图。(a)典型光谱曲线;(b)图1(a)中所选区域的局部放大图
Fig. 1. VNIR-SWIR reflection spectra of Kaolinite, Halloysite and Montmorillonite. (a) Typical spectral curve; (b) local enlarged drawing of the selected area in Fig. 1(a)
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图 2. HEDs在VNIR-SWIR波段的反射光谱。(a)不同地区HEDs的反射光谱;(b)图2(a)中所选区域的局部放大图
Fig. 2. VNIR-SWIR reflection spectra of HEDs. (a) Spectral curve of HEDs from different regions; (b) local enlarged drawing of the selected area in Fig. 2(a)
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图 3. 分区衍射光栅的示意图
Fig. 3. Diagram of the partitioned diffraction gratings
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图 4. 子午面内罗兰圆成像示意图
Fig. 4. Imaging diagram of Rowland circles on meridional image locations
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图 5. 计算初始结构的步骤
Fig. 5. Steps to calculate the initial structure
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图 6. 光学系统光路结构图
Fig. 6. Optical layout of the designed optical system
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图 7. 光学系统点列图
Fig. 7. Spot diagram of designed optical system
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图 8. 谱线弯曲与归一化视场的关系曲线
Fig. 8. Curve of the smile versus the normalized field of view
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图 9. 色畸变与归一化视场的关系曲线
Fig. 9. Curve of the keystone versus the normalized field of view
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图 10. VNIR通道光栅的衍射效率。(a) 不同闪耀角下的衍射效率;(b) 不同面积比的组合衍射效率
Fig. 10. Diffraction efficiency of gratings in VNIR band. (a) Diffraction efficiency at different blaze angles; (b) combined diffraction efficiency with different area ratios
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图 11. SWIR通道光栅的衍射效率
Fig. 11. Diffraction efficiency of gratings in SWIR band
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图 12. 分区光栅及原理样机实物图。(a)分区光栅;(b)原理样机
Fig. 12. Partitioned grating and the prototype of the designed optical system. (a) Partitioned grating; (b) prototype of the designed optical system
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图 13. VNIR通道光谱性能测试装置图
Fig. 13. Photo of the spectrum performance measurement device for the VNIR band
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图 14. VNIR通道特征谱线图及强度分布曲线
Fig. 14. Spectral image and intensity distribution curves in the VNIR band
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图 15. VNIR通道光谱性能测试装置图
Fig. 15. Photo of the spectrum performance measurement device for the SWIR band
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图 16. 1900 nm处狭缝像及光谱强度曲线
Fig. 16. Spectral image and intensity distribution curves at 1900 nm
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表 1系统的主要参数
Table1. Main parameters of the system
| Parameter | VNIR | SWIR |
|---|
| Spectral range /nm | 400--1000 | 1000--2700 | | Spectral resolution /nm | ≤5 | ≤10 | | F number | 6 | 3 | | Pixel size /μm | 25 | | Slit length /mm | 10 | | Smile and keystone /pixel | <10% |
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表 2系统初始结构参数
Table2. Initial structural parameters of the system
| VNIR | SWIR |
|---|
| Parameter | Value /mm | Parameter | Value /mm | Parameter | Value /mm | Parameter | Value /mm | | R1 | -136.3107 | 1/g | 0.0083 | R1 | -165.8263 | 1/g | 0.022 | | R2 | -69.4444 | dCO | 33.5520 | R2 | -81.1111 | dCO | 25.0754 | | R3 | -133.3195 | | 27.7187 | R3 | -155.7172 | | 32.3754 |
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表 3Nyquist频率(20 lp/mm)处的MTF值
Table3. MTF at the Nyquist frequency (20 lp/mm)
| Field of view /mm | VNIR | SWIR |
|---|
| 0.4 μm | 0.7 μm | 1.0 μm | 1.0 μm | 1.85 μm | 2.7 μm |
|---|
| (0,0) | 0.93 | 0.86 | 0.80 | 0.77 | 0.70 | 0.51 | | (3.7,0) | 0.93 | 0.87 | 0.80 | 0.74 | 0.70 | 0.53 | | (5,0) | 0.93 | 0.87 | 0.79 | 0.72 | 0.70 | 0.54 | | (-3.7,0) | 0.94 | 0.87 | 0.80 | 0.74 | 0.70 | 0.53 | | (-5,0) | 0.93 | 0.87 | 0.79 | 0.72 | 0.70 | 0.54 |
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表 4VNIR通道光谱分辨率、谱线弯曲和色畸变测试结果
Table4. Measurement results of the spectral resolution, smile and keystone in VNIR band
| Wavelength /nm | 400 | 550 | 700 | 850 | 1000 |
|---|
| Spectral resolution /nm | 3.50 | 3.75 | 3.71 | 3.63 | 3.54 | | Smile /pixel | 7.57% | 7.34% | 7.39% | 7.33% | 7.86% | | Max keystone /pixel | 3.43% |
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表 5SWIR通道光谱分辨率、谱线弯曲和色畸变测试结果
Table5. Measurement results of the spectral resolution, smile and keystone in SWIR band
| Wavelength /nm | 1100 | 1300 | 1500 | 1700 | 1900 |
|---|
| Spectral resolution /nm | 9.59 | 9.61 | 9.35 | 9.77 | 9.89 | | Smile /pixel | 8.6% | 7.90% | 6.83% | 7.33% | 8.35% | | Maxkeystone /pixel | 5.61% |
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杨福臻, 陈新华, 赵知诚, 刘全, 沈为民. 面向小行星探测的可见-红外光谱成像光学系统[J]. 光学学报, 2020, 40(7): 0722002. Fuzhen Yang, Xinhua Chen, Zhicheng Zhao, Quan Liu, Weimin Shen. Visible-Infrared Imaging Spectrometer for the Exploration of Asteroids[J]. Acta Optica Sinica, 2020, 40(7): 0722002.
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