一种全天域高光谱成像仪的制作方法

1.本实用新型属于窄带成像设备技术领域，具体地说，涉及一种全天域高光谱成像仪。


背景技术：

2.地球的高空大气是指地面高度30km以上直至星际空间范围内的大气，该部分大气主要受到太阳剧烈活动后抛射处的高速带电粒子流的注入和影响，主要成分有氧原子、氢原子、氮分子等。在地球的两极的极光卵区高空大气中的氧原子和氮分子受到激发会辐射出绚丽的红极光、绿极光和蓝极光；在非两极地区的高空大气中的氧原子会自发辐射出波长为558nm和630nm的大气辉光，这种自发的发光现象也就构成了天文上的夜天光主体部分；另外地球的高层大气还有钠层对应的589nm谱线，以及hα和hβ谱线。
3.截至目前，国内还没有此类设备，而是以来从国外(加拿大、日本)进口，但是国外相关设备光学系统设计复杂，光损大且成像质量较低；系统集成度差，观测效率低；系统物理尺寸较大，且重量较重，不便于运输和安装使用。


技术实现要素：

4.有鉴于此，本实用新型针对上述的问题，提供了一种全天域高光谱成像仪。
5.为了解决上述技术问题，本实用新型公开了一种全天域高光谱成像仪，包括机械外壳，所述机械外壳上设置有光学系统和电控系统；
6.所述机械外壳包括底座和依次连接的鱼眼镜头固定机构、远心系统固定机构、窄带滤镜轮接口、成像系统固定机构、ccd相机接口；所述底座上固定设置有远心系统固定机构、成像系统固定机构；
7.沿光路方向，所述光学系统包括依次设置的鱼眼镜头，远心系统，滤光片，成像系统和ccd相机。
8.可选地，所述电控系统包括工控机，所述工控机通过导线分别连接有供电单元、通信控制单元和转轮；所述供电单元通过导线连接有相机。
9.可选地，所述远心系统包括依次设置的第一凸透镜和第二凸透镜；第一凸透镜和第二凸透镜胶合在一起，所述第一凸透镜和第二凸透镜的凸面相对。
10.可选地，所述成像系统包括依次设置的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜，第八透镜；第一透镜的具体参数为：材料：h-zk10，r1：1213.4mm，r2：249.8840mm，厚度：17mm；第二透镜的具体参数为：材料：h-lak52，r1：151.1mm，r2：978.69mm，厚度：15mm；第三透镜的具体参数为：材料：h-lak7a，r1：50.12mm， r2：84.16mm，厚度：16mm；第四透镜的具体参数为：材料：h-laf6la， r1：42.4mm，r2：89.99mm，厚度：15mm；第五透镜的具体参数为：材料： h-zf62，r1：102.577mm，r2：19.31mm，厚度：7.5mm；第六透镜的具体参数为：材料：h-zlaf50e，r1：39.257mm，r2：34.1mm，厚度：10.2mm；第七透镜的具体参数为：材料：h-zlaf69，r1：23.23mm，r2：31.06mm，厚度：17.06mm；
第八透镜的具体参数为：材料：h-zlaf68b，r1：41.58mm， r2：134.28mm，厚度：10.05mm。
11.可选地，所述滤光片为窄带滤光片。
12.可选地，所述鱼眼镜头固定机构包括尼康f卡口，所述固定机构通过尼康f卡口连接鱼眼镜头；所述固定机构的另一端通过螺纹连接远心系统。
13.可选地，远心系统固定机构为中空壳体，所述远心系统固定机构包括转接环，所述转接环的一端卡接在尼康f卡口外侧，转接环的另一端卡接在第一固定件的内侧，所述第一固定件的内侧设置有压圈和垫圈，所述压圈和垫圈之间设置有第一透镜固定环，所述第一固定件的另一侧连接有第二固定件，所述第二固定件内侧设置有第二透镜固定环；第一透镜固定环固定第一凸透镜，所述第二透镜固定环固定第二凸透镜；所述的转接环、第一透镜固定环、第二透镜固定环、第一固定件和第二固定件均经过氧化发黑处理。
14.可选地，所述窄带滤镜轮接口上固定设置有窄带滤光片，所述窄带滤光片的两侧分别设置有远心系统连接件和成像系统连接件。
15.可选地，成像系统固定机构包括固定壳体，所述固定壳体上设置有若干个固定孔，所述固定孔用于固定第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、第六透镜、第七透镜和第八透镜。
16.可选地，ccd相机接口包括螺纹接头，所述ccd相机通过螺纹接头与 ccd相机接口相连接，所述螺纹接头外侧设置有连接筒和调焦机构，所述调焦机构为并紧圈。
17.与现有技术相比，本实用新型可以获得包括以下技术效果：
18.本实用新型的一个技术效果在于，本实用新型的全天域高光谱成像仪，可以在对南北极极光、非极地地区大气气辉、大气中的其他谱线进行大视场(全天域)高时间分辨率的窄带成像，对于开展高空大气物理性质、极光形成、大气气辉、钠层等方面的科学研究具有重要的应用价值。
19.当然，实施本实用新型的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有技术效果。
附图说明
20.此处所说明的附图用来提供对本实用新型的进一步理解，构成本实用新型的一部分，本实用新型的示意性实施例及其说明用于解释本实用新型，并不构成对本实用新型的不当限定。在附图中：
21.图1是本实用新型全天域高光谱成像仪的结构示意图；
22.图2是本实用新型光学系统的结构示意图；
23.图3是本实用新型鱼眼镜头接口的结构示意图；
24.图4是本实用新型远心系统的结构示意图；
25.图5是本实用新型窄带滤镜轮接口的结构示意图；
26.图6是本实用新型成像系统的结构示意图；
27.图7是本实用新型ccd相机接口的结构示意图；
28.图8是本实用新型电控系统的结构示意图；
29.图9是本实用新型全天域高光谱成像仪光学检测结果。
30.其中，1.鱼眼镜头，2.远心系统，3.滤光片，4.成像系统，5.ccd相机，6.调焦机构，
7.电控系统，8.机械外壳，9.光学系统；
31.2-1.第一凸透镜，2-2.第二凸透镜；
32.4-1.第一透镜，4-2.第二透镜，4-3.第三透镜，4-4.第四透镜，4-5.第五透镜，4-6.第六透镜，4-7.第七透镜，4-8.第八透镜；
33.7-1.工控机，7-2.供电单元，7-3.通信控制单元，7-4.转轮；
34.8-1.底座，8-2.鱼眼镜头固定机构，8-3.窄带滤镜轮接口，8-4.远心系统固定机构，8-5.成像系统固定机构，8-6.ccd相机接口；
35.8-2-1.尼康f卡口；
36.3-1.滤光片，8-3-1.远心系统连接件，8-3-2.成像系统连接件；
37.8-4-1.转接环，8-4-2.第一固定件，8-4-3.压圈，8-4-4.垫圈，8-4-5.第一透镜固定环，8-4-6.第二固定件，8-4-7.第二透镜固定环；
38.8-5-1.固定壳体，8-5-2.固定孔；
39.8-6-1.螺纹接头，8-6-2.连接筒。
具体实施方式
40.以下将配合实施例来详细说明本实用新型的实施方式，藉此对本实用新型如何应用技术手段来解决技术问题并达成技术功效的实现过程能充分理解并据以实施。
41.本实用新型公开了一种全天域高光谱成像仪，如图1所示，包括机械外壳8，所述机械外壳8上设置有光学系统9和电控系统7；系统三维尺寸为： 60cm*20cm*20cm，系统机械部分总重量低于25kg。保证了本实用新型公开方法设计的设备，具备便携性和实际应用性。
42.所述光学系统9如图2所示，沿光路方向，包括依次设置的鱼眼镜头1，远心系统2，滤光片3，成像系统4和ccd相机5；
43.所述鱼眼镜头1设置在前端，为设备前端引导系统，保证观测视场的需要。所述远心系统2设置在所述鱼眼镜头1后的焦面位置前端，将经过所述鱼眼镜头的光束变为像方远心光路。所述滤光片3设置在所述远心系统2后且在所述鱼眼镜头1后的焦面附近，被所述像方远心光路直射。所述成像系统4设置在所述滤光片3后，将前端鱼眼镜头的焦面大小像缩小至预设探测器大小。所述ccd相机5设置在所述成像系统4后，接收经过所述成像系统4光路所成的光学像。
44.本实用新型用鱼眼镜头与其焦面位置的空间巧妙放入一对平凸透镜将鱼眼镜头的出射光变成像方远心光路，然后将滤光片放置在焦面附近，保证滤光片放置在像方远心光路中，从而保证各视场的光束经过滤光片后的透射光谱带宽一致。最终再通过成像系统将前端鱼眼镜头的焦面大小像缩小成像在合适尺寸的探测器靶面上。使得本实用新型能够应用于开展高空大气物理性质、极光形成、大气气辉、钠层等方面的科学研究，具有重要的应用价值。
45.在一些实施例中，全天域视场的可探测方位为0
°
～360
°
和可探测高度为0
°
～90
°
，因此，确定使用鱼眼镜头。另外为了实现高时间分辨率(在相同信噪比要求下，曝光时间越短越好)要求，就需要使用通光量较大的鱼眼镜头，由焦比公式f＝f/d可知，只有大焦距f且小焦比f的鱼眼镜头，才能获得较大的通光口径或光圈直径。本实用新型具体实施案例中使用的镜头是尼康16mm f2.8的鱼眼镜头，通光口径为5.7mm。
46.在一些实施例中，沿光路方向，所述远心系统2包括依次设置的第一凸透镜2-1和第二凸透镜2-2；第一凸透镜2-1和第二凸透镜2-2胶合在一起，所述第一凸透镜2-1和第二凸透镜2-2的凸面相对。
47.滤光片对入射角是非常敏感的，对于垂直入射的光束是很容易实现窄带过滤的，但是对于鱼眼级视场，大部分光束都是以一个较大角度倾斜入射到窄带滤光片上的，这样的话，是无法实现3nm以内的窄带成像的。采用本实用新型的远心系统2将原本大角度入射的光变为平行光，然后在入射到焦面位置的窄带滤光片上，这样就保证了窄带的有效性，后端再经过一个成像系统，将远心光束聚焦成像到ccd上，使整套系统更加紧凑高效。
48.在一些实施例中，还包括滤光片轮(未示出)，所述滤光片3设置在所述滤光片轮上，可以切换滤光片实现对不同波段的观测。进一步的，本实用新型包括多个滤光片3，多个所述滤光片3的透射波长不同。
49.在一些实施例中，所述滤光片3为窄带滤光片。
50.由于前端是鱼眼镜头汇聚而来的入射光，因此就需要该窄带滤光片具备在较大入射角条件下的2～3nm窄带透过能力；同时为了满足高时间分辨率的要求，其透过率不应低于50％；另外，其物理尺寸应大于鱼眼镜头的焦面尺寸，厚度要较小。本实用新型具体实施案例中使用的是美国andover公司生成的5cm直径、0.5cm厚的带宽2.5nm的窄带滤光片，在整个可见光范围内的窄带透过率均大于55％。
51.在一些实施例中，如图6所示，所述成像系统4包括依次设置的第一透镜4-1、第二透镜4-2、第三透镜4-3、第四透镜4-4、第五透镜4-5、第六透镜4-6、第七透镜4-7，第八透镜4-8。第一透镜4-1的具体参数为：材料： h-zk10，r1：1213.4mm，r2：249.8840mm，厚度：17mm；第二透镜4-2 的具体参数为：材料：h-lak52，r1：151.1mm，r2：978.69mm，厚度： 15mm；第三透镜4-3的具体参数为：材料：h-lak7a，r1：50.12mm，r2： 84.16mm，厚度：16mm；第四透镜4-4的具体参数为：材料：h-laf6la， r1：42.4mm，r2：89.99mm，厚度：15mm；第五透镜4-5的具体参数为：材料：h-zf62，r1：102.577mm，r2：19.31mm，厚度：7.5mm；第六透镜 4-6的具体参数为：材料：h-zlaf50e，r1：39.257mm，r2：34.1mm，厚度：10.2mm；第七透镜4-7的具体参数为：材料：h-zlaf69，r1：23.23mm， r2：31.06mm，厚度：17.06mm；第八透镜4-8的具体参数为：材料： h-zlaf68b，r1：41.58mm，r2：134.28mm，厚度：10.05mm。
52.成像系统4能够将前端鱼眼镜头模块1所成的像缩小到合适靶面尺寸大小的ccd相机上(ccd相机靶面13.3mm)；此外，在鱼眼镜头模块1焦面前端放置的远心系统2(第一凸透镜2-1和第二凸透镜2-2)虽然将光路改变为远心光路，但是同样也引入了像差，滤光片前端系统的焦面像质并不好，通过设计的成像系统4还有矫正前端系统像差的作用，保证在探测器上光学像质好。
53.因为观测对象是极光或气辉，都是夜间才能观测的较为暗弱的发光现象，就需要探测器具备较高的灵敏度，同时具备较低的暗流和噪声信号，这就需要选择一款具备信号放大功能的像元尺寸较大的ccd相机，同时其靶面应不小于4/3英寸。本实用新型具体实施案例中使用的是andor公司生产的emccd相机ixon888，其像元大小为13um,分辨率为1k*1k，电子倍增最大300倍。
54.在一些实施例中，所述机械外壳8包括底座8-1、鱼眼镜头固定机构8-2、远心系统固定机构8-4、窄带滤镜轮接口8-3、成像系统固定机构8-5、ccd 相机接口8-6；所述底座8-1
上固定设置有远心系统固定机构8-4、成像系统固定机构8-5。
55.在一些实施例中，如图3所示，所述鱼眼镜头固定机构8-2包括尼康f 卡口8-2-1，所述固定机构8-2通过尼康f卡口8-2-1连接鱼眼镜头1；所述固定机构8-2的另一端通过螺纹连接远心系统2。
56.在一些实施例中，如图4所示，远心系统固定机构8-4为中空壳体，所述远心系统固定机构8-4包括转接环8-4-1，所述转接环8-4-1的一端卡接在尼康f卡口8-2-1外侧，转接环8-4-1的另一端卡接在第一固定件8-4-2的内侧，所述第一固定件8-4-2的内侧设置有压圈8-4-3和垫圈8-4-4，所述压圈 8-4-3和垫圈8-4-4之间设置有第一透镜固定环8-4-5，所述第一固定件8-4-2 的另一侧连接有第二固定件8-4-6，所述第二固定件8-4-6内侧设置有第二透镜固定环8-4-7。
57.在一些实施例中，第一透镜固定环8-4-5固定第一凸透镜2-1，所述第二透镜固定环8-4-7固定第二凸透镜2-2。
58.在一些实施例中，所述的转接环8-4-1、第一透镜固定环8-4-5、第二透镜固定环8-4-7、第一固定件8-4-2和第二固定件8-4-6均经过氧化发黑处理。
59.在一些实施例中，如图5所示，所述窄带滤镜轮接口8-3上固定设置有窄带滤光片3-1，所述窄带滤光片3-1的两侧分别设置有远心系统连接件8-3-1 和成像系统连接件8-3-2；所述远心系统连接件8-3-1与远心系统固定机构8-4 相连接，所述成像系统连接件8-3-2与固定壳体8-5-1相连接。
60.在一些实施例中，如图1所示，成像系统固定机构8-5包括固定壳体 8-5-1，所述固定壳体8-5-1上设置有若干个固定孔8-5-2，所述固定孔8-5-2 用于固定第一透镜4-1、第二透镜4-2、第三透镜4-3、第四透镜4-4、第五透镜4-5、第六透镜4-、第七透镜4-7和第八透镜4-8。
61.在一些实施例中，如图7所示，ccd相机接口8-6包括螺纹接头8-6-1，所述ccd相机5通过螺纹接头8-6-1与ccd相机接口8-6相连接，所述螺纹接头8-6-1外侧设置有连接筒8-6-2和调焦机构6，连接筒8-6-2与固定壳体8-5-1相连接，所述调焦机构6为并紧圈，并紧圈调整螺纹接头2的前后距离，进而实现调焦的功能。
62.在一些实施例中，如图8所示，所述的电控系统7包括工控机7-1，所述工控机7-1通过导线分别连接有供电单元7-2、通信控制单元7-3和转轮 7-4；所述供电单元7-2通过导线连接有相机5。其中供电单元7-2采用 110v～220v市电，给相机和工控机提供电源，转轮通过usb接口由工控机直接供电；通信控制部分，转轮和相机均通过usb3.0接口与工控机相连；本实用新型专利具体实施例采用低温型工控机(可以在零下45℃条件下正常工作，零下25℃条件下正常启动)，安装稳定性较高的linux系统对转轮、 emccd等外部设置进行控制，同时负责数据的存储、预处理和发布等功能。
63.电控系统7具备全自动控制和观测的特性，具有观测数据自动处理、存储和发布的功能。
64.通过以上措施，使本实用新型的全天域高光谱成像仪具备耐低温、全自动、高可靠运行等特点，使该系统具有更强的适应性和可部署性，尤其是环境条件恶劣的南北极地区。
65.系统整体应该可以在-20℃环境下良好运行，便于部署在南北极使用；系统整体重量应低于30kg，便于运输且便于垂直安装对全天空观测使用。
66.本实用新型还公开了一种全天域高光谱成像仪的实施方法，包括以下步骤：
67.在视野开阔的区域，垂直安装该全天域高光谱成像仪于一个机械支架上，鱼眼镜头在上，采集相机在下。将窄带滤镜轮接口8-3usb线和ccd相机采集usb线连接到采集计算机上，给计算机和ccd相机供电。打开计算机控制软件，选择某一个窄带滤光片，待其到位后，设置相机曝光时间等参数，就可以开展全天域窄带高光谱的图像采集工作了。
68.本实用新型是全天域窄波段(3nm带宽)单色测光的探测系统，可以针对全天空范围内(方位0～360度，高度0～90度)某一个激发谱线 (400nm～700nm之间的任意波长)进行高时间分辨率(10s内采集一组) 的精细观测。
69.本实用新型公开了一种可以对全天空区域进行高时间分辨率窄带成像设备的实施方法，该型设备将广泛应用于对于高层大气物理特性和现象(极光、气辉等)的观测和研究。通常对于带宽小于10nm的成像观测，都被称为“高光谱”观测；而将包涵整个天空的观测范围，称为“鱼眼视场”，“全天空”视场或“全天域”视场。
70.本装置除了具备鱼眼视场、窄带成像等基本功能外，还具备便携性、便于安装和观测性、耐低温性、鲁棒性和控制系统和控制软件的完全自主知识产权，可以更加灵活的在全世界范围内安装和观测。
71.如图9所示，实测系统观测视场176度；轴上像质及轴外不同位置的光学性能满足设计要求；实测557.7nm波段的2.5nm窄带成像质量较高。综上所述，使用本实用新型装置科学有效，且具备部署在地球南北极的特殊要求，能够满足针对高空大气中的极光或大气气辉开展科学观测的设备要求。
72.上述说明示出并描述了实用新型的若干优选实施例，但如前所述，应当理解实用新型并非局限于本文所披露的形式，不应看作是对其他实施例的排除，而可用于各种其他组合、修改和环境，并能够在本文所述实用新型构想范围内，通过上述教导或相关领域的技术或知识进行改动。而本领域人员所进行的改动和变化不脱离实用新型的精神和范围，则都应在实用新型所附权利要求的保护范围内。