帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本專(zhuān)利涉及一種紅外高光譜成像系統(tǒng)，具體涉及一種帶有冷光闌的棱鏡分光紅外 高光譜成像系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002] 雜散光指光學(xué)系統(tǒng)中除了成像光線外，擴(kuò)散于探測(cè)器表面上的其他非成像光線輻 射能和通過(guò)非正常光路到達(dá)探測(cè)器成像光線輻射能。一般遮攔良好的光學(xué)系統(tǒng)，其雜散光 往往由系統(tǒng)結(jié)構(gòu)部件和光學(xué)元件表面的散射和衍射以及多次反射造成的。在紅外探測(cè)系統(tǒng) 中，當(dāng)目標(biāo)信號(hào)比較弱時(shí)，少量的雜散光引起的噪聲會(huì)大大降低系統(tǒng)的輸出信噪比和像面 的對(duì)比度，同時(shí)在像面上產(chǎn)生雜光光斑，導(dǎo)致像質(zhì)下降，從而削弱系統(tǒng)的探測(cè)能力，嚴(yán)重時(shí) 可使目標(biāo)探測(cè)信號(hào)完全被雜散輻射噪聲所淹沒(méi)。雜散光問(wèn)題已經(jīng)成為制約空間光學(xué)儀器系 統(tǒng)性能的主要障礙。
[0003] 紅外探測(cè)系統(tǒng)的雜散光來(lái)源主要有三類(lèi)：第一類(lèi)是光學(xué)系統(tǒng)外部的輻射源，如太 陽(yáng)光、地表面散射等，視場(chǎng)外的光源通過(guò)系統(tǒng)內(nèi)部構(gòu)件的多次反射、折射或衍射到達(dá)探測(cè)器 表面，稱為外部雜散輻射或外雜光；第二類(lèi)是光學(xué)系統(tǒng)內(nèi)部的輻射源，如控制電機(jī)、溫度較 高的光學(xué)元件等，系統(tǒng)本身的紅外熱輻射直接或間接通過(guò)散射到達(dá)探測(cè)器表面，稱為內(nèi)部 雜散輻射或內(nèi)雜光；第三類(lèi)是成像目標(biāo)光線經(jīng)非光路表面散射或經(jīng)光路表面的非正常傳播 而進(jìn)入探測(cè)器的輻射能量，視場(chǎng)內(nèi)的背景光到達(dá)探測(cè)器表面，稱為成像雜散光。對(duì)目標(biāo)光譜 是可見(jiàn)光的光學(xué)系統(tǒng)，外部雜散輻射起主要作用；對(duì)紅外光學(xué)系統(tǒng)或工作在紅外波段的成 像光譜儀，內(nèi)部雜散輻射的作用顯得尤為突出。
[0004] 第三類(lèi)雜散光通常在信號(hào)處理階段加以消除，需要抑制的雜散光通常指前兩類(lèi)雜 散光。對(duì)于第一類(lèi)雜散光，紅外系統(tǒng)和可見(jiàn)光系統(tǒng)均常采用遮光罩和擋光環(huán)等措施加以抑 制；而第二類(lèi)雜散光是紅外系統(tǒng)特有的雜散光，由于紅外輻射會(huì)隨著溫度的降低而減弱，所 以一般需要將成像光譜儀等置于低溫環(huán)境下以降低系統(tǒng)的紅外輻射強(qiáng)度。
[0005] 傳統(tǒng)的降溫方式往往采用對(duì)整個(gè)光譜儀系統(tǒng)全部制冷的辦法，這樣不僅耗能高、 代價(jià)大，而且制冷系統(tǒng)體積大，組裝笨重，不利于儀器的推廣使用。
[0006] 本專(zhuān)利提出的帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)，制冷區(qū)域僅限于孔徑光闌、狹 縫和探測(cè)器光敏面。相比于傳統(tǒng)的整個(gè)系統(tǒng)全部制冷的方法，制冷成本大大降低，而雜散光 抑制效果仍然很好，雜散光輻射強(qiáng)度不超過(guò)主光線強(qiáng)度的1. 4%。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0007] 本專(zhuān)利的目的在于提供一種置孔徑光闌、狹縫和探測(cè)器光敏面于低溫保護(hù)的、成 本相對(duì)較低的紅外高光譜成像系統(tǒng)，解決現(xiàn)有的高光譜成像儀消除雜散光干擾時(shí)低溫保護(hù) 代價(jià)高的問(wèn)題。
[0008] 本專(zhuān)利所采用的技術(shù)方案是：一種帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)，系統(tǒng)包括 成像子系統(tǒng)和分光子系統(tǒng)。其中，如圖1所示，成像子系統(tǒng)包括物鏡組1和第一低溫遮光罩 2 ;分光子系統(tǒng)包括狹縫5、準(zhǔn)直反射鏡7、分光棱鏡8、會(huì)聚反射鏡9、校準(zhǔn)鏡10、第二低溫遮 光罩11和探測(cè)器光敏面14。以不同視場(chǎng)角入射到成像子系統(tǒng)中的光線，經(jīng)物鏡組1會(huì)聚 入射到第一玻璃平板3上，再被與成像子系統(tǒng)出瞳重合的低溫濾光片4限制最終成像在第 一低溫遮光罩2中的狹縫5上，通過(guò)狹縫5的光線由第二玻璃平板6出射后，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直反射 鏡7反射到分光棱鏡8色散，然后折射到會(huì)聚反射鏡9上，再經(jīng)所述校準(zhǔn)鏡10校準(zhǔn)成像后 入射到第三玻璃平板12處，經(jīng)第四玻璃平板13最終被所述探測(cè)器光敏面14接收。
[0009] 所述成像子系統(tǒng)為非遠(yuǎn)心光路系統(tǒng)，所述成像子系統(tǒng)出瞳和分光子系統(tǒng)入瞳重合 于第一低溫遮光罩2的低溫濾光片4的第二面上，所述物鏡組1為由4塊正、負(fù)透鏡組成的 望遠(yuǎn)透鏡組，所述第一低溫遮光罩2和第二低溫遮光罩11由人工制冷于100K溫度以下，其 中第一玻璃平板3、第二玻璃平板6和第三玻璃平板12為平面透鏡，材料為硅；第四玻璃平 板13為平面透鏡，材料為鍺；所述準(zhǔn)直反射鏡7和會(huì)聚反射鏡9均為偏軸使用的球形反射 鏡，分光棱鏡8為偏軸使用的氟化鎂棱鏡，該氟化鎂棱鏡的第一面801和第二面802的光學(xué) 表面均為球面，其中第一面為內(nèi)反射面，第二面為透射表面，所述的校準(zhǔn)鏡10為彎月形透 鏡，材料為鍺。所述的探測(cè)器光敏面14接收光譜圖像信號(hào)。
[0010] 本專(zhuān)利的優(yōu)點(diǎn)是：
[0011] 相比于一般的紅外高光譜成像儀，該帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)低溫保護(hù) 區(qū)域大大減小，因而系統(tǒng)降溫代價(jià)更小，成本更低，在滿足成像效果的前提下可以達(dá)到良好 的抗雜散光干擾能力。
【附圖說(shuō)明】
[0012] 為了更清楚地說(shuō)明本專(zhuān)利實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用 的附圖作簡(jiǎn)單地介紹，顯而易見(jiàn)地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本 領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來(lái)講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他 附圖。
[0013] 圖1為帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)；
【具體實(shí)施方式】
[0014] 下面結(jié)合本專(zhuān)利實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整 地描述，顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒?專(zhuān)利的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒(méi)有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施 例，都屬于本專(zhuān)利的保護(hù)范圍。
[0015] 下面將結(jié)合附圖對(duì)本專(zhuān)利實(shí)施例作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。
[0016] 所述帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)的成像子系統(tǒng)中，物鏡組由正透鏡1、負(fù)透 鏡1、正透鏡2、正透鏡3順次組成，物鏡組口徑44. 75謹(jǐn)，視場(chǎng)角5°，焦距124. 825謹(jǐn)，F(xiàn)# = 2. 787 ;整個(gè)光譜系統(tǒng)焦距126. 011mm，F(xiàn)# = 2. 765 ;帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)工作 波段為2. 0 μ m~4. 8 μ m，狹縫長(zhǎng)度10. 9mm，色散寬度10. 9mm (采用25 μ m像元，可以實(shí)現(xiàn) 436個(gè)波段的探測(cè)）。具體相關(guān)參數(shù)見(jiàn)表1、表2。
[0017] 最后光路會(huì)聚成像在探測(cè)器光敏面處，相對(duì)于系統(tǒng)垂直面傾斜-0. 056°。
[0018] 逆向光路中，第二低溫遮光罩的第四玻璃平板第一面的光強(qiáng)為0. 0441W，物鏡組中 第一塊透鏡的第一面的光強(qiáng)為0. 0435W，光能傳遞率為98. 64%，由光路可逆性可知，該紅 外高光譜成像系統(tǒng)正常工作時(shí)，雜散光對(duì)光路的影響約為1. 36%，雜散光對(duì)系統(tǒng)的影響非 常小，該系統(tǒng)的抗雜散光能力較強(qiáng)。

【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)；包括成像子系統(tǒng)和分光子系統(tǒng)其特征在 于： 所述的成像子系統(tǒng)包括物鏡組（1)和第一低溫遮光罩（2); 所述的物鏡組（1)會(huì)聚來(lái)自物方的光并一次成像到狹縫（5)所處的焦平面上，所述的 第一低溫遮光罩（2)中的狹縫（5)和光闌保持低溫狀態(tài)； 所述的分光子系統(tǒng)包括狹縫（5)、準(zhǔn)直反射鏡（7)、分光棱鏡（8)、會(huì)聚反射鏡（9)、校準(zhǔn) 鏡（10)，所述的準(zhǔn)直反射鏡（7)用于轉(zhuǎn)折光路和會(huì)聚光線，分光棱鏡（8)用于色散和改善像 質(zhì)，會(huì)聚反射鏡（9)用于轉(zhuǎn)折光路和聚焦成像，校準(zhǔn)鏡（10)用于校準(zhǔn)會(huì)聚光路和消色差，第 二低溫遮光罩（11)用于保持探測(cè)器光敏面（14)處于低溫狀態(tài)，探測(cè)器光敏面（14)用于接 收光路并二次成像； 不同視場(chǎng)角的光線進(jìn)入系統(tǒng)后，經(jīng)物鏡組（1)會(huì)聚到第一玻璃平板（3)上，再由光闌所 在的低溫濾光片（4)限制最終成像在第一低溫遮光罩（2)中的狹縫（5)上，通過(guò)狹縫（5) 的光線由第二玻璃平板（6)出射后，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)直反射鏡（7)反射到分光棱鏡（8)色散，然后折 射到會(huì)聚反射鏡（9)上，最后會(huì)聚到校準(zhǔn)鏡（10)處；經(jīng)過(guò)所述校準(zhǔn)鏡（10)校準(zhǔn)成像后，光 路再經(jīng)第三玻璃平板（12)、第四玻璃平板（13)，最終被所述探測(cè)器光敏面（14)接收，與行 掃描方向?qū)?yīng)的探測(cè)器列陣單元構(gòu)成空間維，與色散方向?qū)?yīng)的探測(cè)器陣列單元構(gòu)成光譜 維。2. 如權(quán)利要求1所述的一種帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的 物鏡組（1)為由4個(gè)正負(fù)透鏡組成的望遠(yuǎn)透鏡組。3. 如權(quán)利要求1所述的一種帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的 成像子系統(tǒng)的出瞳和分光子系統(tǒng)的入瞳重合于第一低溫遮光罩（2)的低溫濾光片（4)的第 二面上。4. 如權(quán)利要求1所述的一種帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的 第一低溫遮光罩（2)制冷于100K溫度以下。5. 如權(quán)利要求1所述的一種帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述的 第一玻璃平板（3)和第二玻璃平板（6)為硅平面平板。6. 如權(quán)利要求1所述的一種帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)，其特征在于，所述分 光子系統(tǒng)中的準(zhǔn)直反射鏡（7)和會(huì)聚反射鏡（9)為偏軸使用的球形反射鏡；分光棱鏡（8) 為偏軸使用的氟化鎂棱鏡，該氟化鎂棱鏡的第一面（801)和第二面（802)的光學(xué)表面均為 球面，其中第一面為內(nèi)反射面，第二面為透射表面；校準(zhǔn)鏡（10)為鍺彎月形透鏡。
【專(zhuān)利摘要】本專(zhuān)利公開(kāi)了一種帶有冷光闌的紅外高光譜成像系統(tǒng)。本系統(tǒng)由成像子系統(tǒng)和分光子系統(tǒng)構(gòu)成。所述成像子系統(tǒng)包括物鏡組和第一低溫遮光罩。所述分光子系統(tǒng)包括狹縫、準(zhǔn)直反射鏡、分光棱鏡、會(huì)聚反射鏡、校準(zhǔn)鏡、第二低溫遮光罩和探測(cè)器光敏面。其中，第一低溫遮光罩和第二低溫遮光罩均被降溫至100K開(kāi)氏溫度以下，兩處帶有玻璃平板的盒狀遮光罩分別置孔徑光闌和探測(cè)器光敏面于低溫保護(hù)中。入射光線經(jīng)物鏡組一次成像于狹縫，經(jīng)準(zhǔn)直反射鏡反射后進(jìn)入分光棱鏡色散分光，再經(jīng)過(guò)會(huì)聚反射鏡反射和校準(zhǔn)鏡校準(zhǔn)后二次成像在探測(cè)器光敏面上。采用本專(zhuān)利的高光譜成像系統(tǒng)不僅像質(zhì)好，集光能力強(qiáng)，光學(xué)效率高，而且低溫保護(hù)區(qū)域小，雜散光干擾弱。
【IPC分類(lèi)】G01J3/02, G01J3/28
【公開(kāi)號(hào)】CN204964020
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201520371936
【發(fā)明人】王躍明, 周世堯, 王建宇, 舒嶸, 袁立銀, 郎均慰, 黃文俊, 鮑智康
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所
【公開(kāi)日】2016年1月13日
【申請(qǐng)日】2015年6月2日