一種長波紅外成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專利涉及遙感探測領(lǐng)域中的成像光譜儀，具體是指一種用于機載或星載的基于 平面光柵色散的長波紅外成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 近來一二十年，長波紅外成像光譜儀，已用來礦物識別與勘探、污染氣體排放監(jiān)測 和高精度目標(biāo)識別確認等，在國民生產(chǎn)、軍事和科學(xué)研究等領(lǐng)域已開展應(yīng)用。
[0003] 早先的代表儀器有：1996年，美國研制的SEBASS機載紅外高光譜成像光譜儀， 光譜范圍中含有長波7. 5~13. 5 μ m，光譜采樣為50nm，瞬時視場lmrad，TM反射望遠物 鏡，分色鏡透射長波紅外，通過NaCl棱鏡分光，整個光路用液氦制冷。1997年，美國研制 的TIRIS-I機載熱紅外成像光譜儀，工作波段為7. 5~14. 0 μ m，64個光譜波段，20個像 元，100 μ m的光譜采樣，空間分辨率3. 6mrad，使用平面光柵分光，定制的線性漸變?yōu)V光片 安裝在焦平面上抑制背景輻射。為進一步提升性能和提高信噪比，之后繼續(xù)研制完成了 TIRIS-II和TIRIS-III。1998年，美國夏威夷大學(xué)研制完成AHI機載熱紅外高光譜成像儀， 采用光柵分光，面陣探測器推帚成像。望遠物鏡是一個兩元衍射受限傳輸透鏡，口徑35_， 焦距111_。分光系統(tǒng)是一個f/4的商用非制冷反射式成像光譜儀，鍍金。探測地雷時，AHI 采用225 μ m寬度的狹縫，即沿軌（垂直狹縫方向）IFOV是2. 02mrad，光譜分辨率125nm。穿 軌的角分辨率是〇.81mrad。探測器使用256X256元的Rockwell TCM2250HgCdTe焦平面探 測器，機械制冷到56K。2003年，美國NGST研制完成LWHIS長波紅外高光譜成像光譜儀，推 帚式成像，工作波段8~12. 5 μ m，光譜波段128,瞬時視場0. 9mrad，全視場6. 6°，可用于 地面和機載成像，入瞳口徑35mm，三反射鏡望遠物鏡，F(xiàn)數(shù)2. 5,平面光柵分光，35nm光譜分 辨率，探測器是256 X 256元，40 μ m焦平面列陣，合并成128 X 128應(yīng)用，整個系統(tǒng)安裝在內(nèi) 表面鍍金的真空室內(nèi)，F(xiàn)PA斯特林機制冷到63K，光機子系統(tǒng)制冷到100K以下。早一代的長 波紅外成像光譜儀特點是：體積比較大，制冷溫度相對不算低。所獲得圖像的信噪比和光譜 特征進一步提尚的空間很大。
[0004] 近來的代表儀器有：2006年，美國JPL實驗室研制的QWEST紅外成像光譜儀，工作 波段8~9 μ m，后期將擴展到8~12 μ m工作波段。緊湊光學(xué)系統(tǒng)采用透射式物鏡，狹縫為 視場光闌，光譜儀采用Dyson同心設(shè)計，凹面光柵分光，光譜儀光機整體制冷至40K抑制雜 散熱輻射。狹縫寬度50 μ m，8~12 μ m范圍內(nèi)光譜通道數(shù)256個，總視場40°。2011年， MAKO成像光譜儀工作波段7. 8~13. 4 μ m，結(jié)構(gòu)與QWEST類似，成像光譜儀前方加了一個 3. 66倍的TMA望遠鏡提高空間分辨率，光譜儀也采用Dyson同心設(shè)計，凹面光柵分光，分光 計光機整體制冷抑制雜散熱輻射。狹縫寬度75 μ m，合并光譜通道數(shù)32個，不含望遠鏡總視 場14. 7°，空間分辨率2mrad。自QWEST以來，長波成像光譜儀往緊湊型發(fā)展，更傾向考慮 曲面光柵，使得系統(tǒng)的F#小，體積小，畸變低；相伴而生的是：曲面光柵制造成本高昂，透鏡 元件低溫離焦而造成離焦能量損失，超短后截距使得探測器選擇范圍更小。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本專利解決的技術(shù)問題是：基于上述已有技術(shù)存在的一些問題，本發(fā)明的目的是 設(shè)計一種長波紅外成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，F(xiàn)數(shù)小于2,視場大于15°，對8~12.5μπι實現(xiàn) 光譜成像。
[0006] 本發(fā)明的光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示。光學(xué)系統(tǒng)由望遠成像鏡1和低溫光譜儀2組成。 低溫光譜儀2,由低溫窗口 3、視場光闌4和轉(zhuǎn)折鏡5、三鏡6、次鏡7、主鏡8、平面閃耀光柵 9和濾光片10組成。
[0007] 來自物方的輻射經(jīng)望遠成像鏡1，穿過低溫窗口 3,進入低溫光譜儀2,會聚到視場 光闌4上，再發(fā)射至轉(zhuǎn)折鏡5上，之后經(jīng)三反系統(tǒng)的三鏡6、次鏡7、主鏡8,到達平面閃耀光 柵9上進行反射分光，重新經(jīng)三反系統(tǒng)的主鏡8、次鏡7、三鏡6,經(jīng)過濾光片10后分光成像。
[0008] 所述的望遠成像鏡1，不制冷，F(xiàn)數(shù)小于1. 9,視場大于15°。望遠成像鏡1為透射 鏡頭，透鏡材料為鍺和硒化鋅，校正色差，其中第一個透鏡的第一面為8次非球面用于校正 大視場畸變，其余面為球面。望遠成像鏡1的出瞳在后方，也是低溫光譜儀2的入瞳所在， 與低溫窗口 4接近，利于系統(tǒng)的冷光學(xué)設(shè)計以降低背景輻射影響。
[0009] 所述的低溫光譜儀2的放大倍率-1. 05 < β < -0. 95 ;低溫光譜儀2在低溫下工 作，是一個往返復(fù)用的偏軸反射系統(tǒng)，兼具準(zhǔn)直和會聚的功能，具有長線視場，反射式系統(tǒng) 不會發(fā)生嚴(yán)重溫變離焦而影響分辨率的現(xiàn)象。三鏡6是8次凹非球面、次鏡7是8次凸非 球面、主鏡8是8次凹非球面，三鏡6、次鏡7和主鏡8相對于望遠鏡1的主光線均有離軸 和10°以內(nèi)的傾斜，均為軸對稱偶次非球面，有效校正keystone和smile。長波段采用金 屬材質(zhì)，便于高精度車削加工。
[0010] 所述的平面閃耀光柵9是一個反射光柵，刻線密度一般小于20線對/mm，光線入射 角度較小，-1級閃耀，表面鍍金，衍射效率在8~12. 5 μπι光譜范圍內(nèi)比較均勻，平均可達 70%。相對于曲面光柵，制造成本較低，也能達到較好的性能。
[0011] 所述的濾光片10是一個分區(qū)濾光片，光譜要求低溫100Κ左右，非陰影區(qū) 8-11. 6 μπι透過，7. 4 μπι之前截止深度〈10% ;透過率下降沿50 %透過率點出現(xiàn)在 11. 6 μ m(公差0/+0· 2 μ m)，透過率下降沿盡量陡；5 μ m之前、14 μ m之后不用考慮。陰影區(qū) 11. 6-12. 5 μ m透過，透過率上升沿50 %透過率點出現(xiàn)在11. 6 μ m (公差-0. 3/0 μ m) ; 13 μ m 之后盡量截止；5μηι之前、14μηι之后不用考慮。
[0012] 本專利光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點是：系統(tǒng)較為緊湊，望遠成像鏡1的出瞳在低溫窗口 4附 近，低溫窗口 4可作為冷光闌，系統(tǒng)只需制冷后方光譜儀；全反射式光譜儀，均為軸對稱面 型，光機件采用相同材質(zhì)，采用金剛石車削技術(shù)能極大降低光加成本，提高低溫光學(xué)熱適配 性，減小低溫光校難度，且易于保持系統(tǒng)性能；采用平面閃耀反射光柵，獲取容易；濾光片 使長波背景抑制能力更強；適合在航空遙感領(lǐng)域應(yīng)用。
【附圖說明】
[0013] 圖1為光學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖。
[0014] 圖中：1為望遠成像鏡；2為低溫光譜儀；3為低溫窗口；4為視場光闌；
[0015] 5為轉(zhuǎn)折鏡；6為三鏡；7為次鏡；8為主鏡；9為平面閃耀光柵；
[0016] 10為濾光片。
[0017] 圖2為濾光片示意圖。
【具體實施方式】
[0018] 根據(jù)圖1的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖，設(shè)計了一個長波紅外成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，可用于機載 航空遙感對地探測，推掃成像，光學(xué)系統(tǒng)指標(biāo)列于表1。望遠成像鏡設(shè)計數(shù)據(jù)列于表2,光柵 具體設(shè)計參數(shù)列于表3,光譜儀反射系統(tǒng)設(shè)計數(shù)據(jù)列于表4。濾光片長10. 7mm，寬14mm，陰 影區(qū)偏離中心I. 5mm〇
[0019] 表1光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)


【主權(quán)項】
1. 一種長波紅外成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，由望遠成像鏡⑴和低溫光譜儀⑵組成；其 特征在于： 所述的低溫光譜儀（2)由低溫窗口（3)、視場光闌（4)、轉(zhuǎn)折鏡（5)、三鏡（6)、次鏡（7)、 主鏡（8)、平面閃耀光柵（9)和濾光片（10)組成；來自物方的輻射經(jīng)望遠成像鏡（1)，穿過 低溫窗口（3)，會聚到低溫光譜儀（2)中的視場光闌（4)上，經(jīng)轉(zhuǎn)折鏡（5)轉(zhuǎn)折之后，再經(jīng)往 返復(fù)用三反系統(tǒng)的三鏡（6)、次鏡（7)、主鏡（8)，到達平面閃耀光柵（9)上進行反射分光，重 新經(jīng)往返復(fù)用三反系統(tǒng)的主鏡（8)、次鏡（7)、三鏡（6)，最后經(jīng)過濾光片（10)實現(xiàn)分光成 像。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長波紅外成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述的望 遠成像鏡（1)的F數(shù)小于1. 9,視場大于15° ;所述的望遠成像鏡（1)為透射鏡頭，透鏡材 料為鍺和硒化鋅，校正色差，其中第一個透鏡的第一面為8次非球面用于校正大視場畸變， 其余面為球面。望遠成像鏡（1)的出瞳在后方，也是低溫光譜儀（2)的入瞳所在，與低溫窗 口（4)接近，望遠成像鏡（1)不制冷。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長波紅外成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述的低 溫光譜儀（2)的放大倍率-1. 05 < 0 < -0. 95 ;低溫光譜儀（2)是一個往返復(fù)用的偏軸反 射系統(tǒng)，其中：三鏡（6)是8次凹非球面、次鏡（7)是8次凸非球面、主鏡（8)是8次凹非球 面，三鏡（6)、次鏡（7)和主鏡（8)相對于望遠成像鏡（1)的主光線均有離軸和10°以內(nèi)的 傾斜，均為軸對稱偶次非球面，三鏡(6)、次鏡（7)和主鏡（8)采用便于高精度車削加工的金 屬材質(zhì)。4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長波紅外成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述的平 面閃耀光柵（9)是一個反射光柵，刻線密度一般小于20線對/mm，光線入射角度較小，-1級 閃耀，表面鍍金，衍射效率在8~12. 5ym光譜范圍內(nèi)均勻，平均達70%。5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種長波紅外成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于：所述的濾 光片（10)是一個分區(qū)濾光片，光譜要求低溫100K左右，非陰影區(qū)8-11. 6ym透過，7.4ym 之前截止深度〈10 % ;透過率下降沿50 %透過率點出現(xiàn)在11. 6ym，公差0/+0? 2ym，透過 率下降沿陡直；5ym之前、14ym之后不用考慮；陰影區(qū)11. 6-12. 5ym透過，透過率上升沿 50 %透過率點出現(xiàn)在11. 6ym，公差-0. 3/0ym; 13ym之后截止；5ym之前、14ym之后不 用考慮。
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種長波紅外成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，它用于對8～12.5μm波段實現(xiàn)精細分光光譜成像。其特征在于：系統(tǒng)由結(jié)構(gòu)簡單的透射式望遠成像鏡、全反射式低溫光譜儀組成。光譜儀中的準(zhǔn)直和會聚功能通過一個往返復(fù)用偏軸三反完成，利于像差校正、引入平面光柵、光學(xué)制造和低溫光校。本發(fā)明解決了現(xiàn)有技術(shù)中采用曲面光柵分光的系統(tǒng)制造成本高昂、采用棱鏡或平面光柵分光的系統(tǒng)制冷功耗大、透射鏡頭離焦、低溫光校困難的問題。采用本發(fā)明所述的長波紅外成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)，F(xiàn)數(shù)可小于1.9，視場大于15°，可應(yīng)用于航空遙感領(lǐng)域。
【IPC分類】G01J3/28
【公開號】CN105181136
【申請?zhí)枴緾N201510295835
【發(fā)明人】袁立銀, 何志平, 李春來, 王躍明, 舒嶸, 王建宇
【申請人】中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開日】2015年12月23日
【申請日】2015年6月2日