长波红外成像光谱仪光学系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本专利涉及遥感探测领域中的成像光谱仪，具体是指一种用于机载或星载的基于 平面光栅色散的长波红外成像光谱仪光学系统。
【背景技术】
[0002] 近来一二十年，长波红外成像光谱仪，已用来矿物识别与勘探、污染气体排放监测 和高精度目标识别确认等，在国民生产、军事和科学研究等领域已开展应用。
[0003] 早先的代表仪器有：1996年，美国研制的SEBASS机载红外高光谱成像光谱仪， 光谱范围中含有长波7. 5~13. 5 μ m，光谱采样为50nm，瞬时视场lmrad，TM反射望远物 镜，分色镜透射长波红外，通过NaCl棱镜分光，整个光路用液氦制冷。1997年，美国研制 的TIRIS-I机载热红外成像光谱仪，工作波段为7. 5~14. 0 μ m，64个光谱波段，20个像 元，100 μ m的光谱采样，空间分辨率3. 6mrad，使用平面光栅分光，定制的线性渐变滤光片 安装在焦平面上抑制背景辐射。为进一步提升性能和提高信噪比，之后继续研制完成了 TIRIS-II和TIRIS-III。1998年，美国夏威夷大学研制完成AHI机载热红外高光谱成像仪， 采用光栅分光，面阵探测器推帚成像。望远物镜是一个两元衍射受限传输透镜，口径35_， 焦距111_。分光系统是一个f/4的商用非制冷反射式成像光谱仪，镀金。探测地雷时，AHI 采用225 μ m宽度的狭缝，即沿轨（垂直狭缝方向）IFOV是2. 02mrad，光谱分辨率125nm。穿 轨的角分辨率是〇.81mrad。探测器使用256X256元的Rockwell TCM2250HgCdTe焦平面探 测器，机械制冷到56K。2003年，美国NGST研制完成LWHIS长波红外高光谱成像光谱仪，推 帚式成像，工作波段8~12. 5 μ m，光谱波段128,瞬时视场0. 9mrad，全视场6. 6°，可用于 地面和机载成像，入瞳口径35mm，三反射镜望远物镜，F数2. 5,平面光栅分光，35nm光谱分 辨率，探测器是256 X 256元，40 μ m焦平面列阵，合并成128 X 128应用，整个系统安装在内 表面镀金的真空室内，FPA斯特林机制冷到63K，光机子系统制冷到100K以下。早一代的长 波红外成像光谱仪特点是：体积比较大，制冷温度相对不算低。所获得图像的信噪比和光谱 特征进一步提尚的空间很大。
[0004] 近来的代表仪器有：2006年，美国JPL实验室研制的QWEST红外成像光谱仪，工作 波段8~9 μ m，后期将扩展到8~12 μ m工作波段。紧凑光学系统采用透射式物镜，狭缝为 视场光阑，光谱仪采用Dyson同心设计，凹面光栅分光，光谱仪光机整体制冷至40K抑制杂 散热辐射。狭缝宽度50 μ m，8~12 μ m范围内光谱通道数256个，总视场40°。2011年， MAKO成像光谱仪工作波段7. 8~13. 4 μ m，结构与QWEST类似，成像光谱仪前方加了一个 3. 66倍的TMA望远镜提高空间分辨率，光谱仪也采用Dyson同心设计，凹面光栅分光，分光 计光机整体制冷抑制杂散热辐射。狭缝宽度75 μ m，合并光谱通道数32个，不含望远镜总视 场14. 7°，空间分辨率2mrad。自QWEST以来，长波成像光谱仪往紧凑型发展，更倾向考虑 曲面光栅，使得系统的F#小，体积小，畸变低；相伴而生的是：曲面光栅制造成本高昂，透镜 元件低温离焦而造成离焦能量损失，超短后截距使得探测器选择范围更小。
【发明内容】
[0005] 本专利解决的技术问题是：基于上述已有技术存在的一些问题，本发明的目的是 设计一种长波红外成像光谱仪光学系统，F数小于2,视场大于15°，对8~12. 5 μ m实现 光谱成像。
[0006] 本发明的光学系统如图1所示。光学系统由望远成像镜1和低温光谱仪2组成。 低温光谱仪2,由低温窗口 3、视场光阑4和转折镜5、三镜6、次镜7、主镜8、平面闪耀光栅 9和滤光片10组成。
[0007] 来自物方的辐射经望远成像镜1，穿过低温窗口 3,进入低温光谱仪2,会聚到视场 光阑4上，再发射至转折镜5上，之后经三反系统的三镜6、次镜7、主镜8,到达平面闪耀光 栅9上进行反射分光，重新经三反系统的主镜8、次镜7、三镜6,经过滤光片10后分光成像。
[0008] 所述的望远成像镜1，不制冷，F数小于1. 9,视场大于15°。望远成像镜1为透射 镜头，透镜材料为锗和硒化锌，校正色差，其中第一个透镜的第一面为8次非球面用于校正 大视场畸变，其余面为球面。望远成像镜1的出瞳在后方，也是低温光谱仪2的入瞳所在， 与低温窗口 4接近，利于系统的冷光学设计以降低背景辐射影响。
[0009] 所述的低温光谱仪2的放大倍率-1. 05 < β < -0. 95 ;低温光谱仪2在低温下工 作，是一个往返复用的偏轴反射系统，兼具准直和会聚的功能，具有长线视场，反射式系统 不会发生严重温变离焦而影响分辨率的现象。三镜6是8次凹非球面、次镜7是8次凸非 球面、主镜8是8次凹非球面，三镜6、次镜7和主镜8相对于望远镜1的主光线均有离轴 和10°以内的倾斜，均为轴对称偶次非球面，有效校正keystone和smile。长波段采用金 属材质，便于高精度车削加工。
[0010] 所述的平面闪耀光栅9是一个反射光栅，刻线密度一般小于20线对/mm，光线入射 角度较小，-1级闪耀，表面镀金，衍射效率在8~12. 5 μπι光谱范围内比较均匀，平均可达 70 %。相对于曲面光栅，制造成本较低，也能达到较好的性能。
[0011] 所述的滤光片10是一个分区滤光片，光谱要求低温100Κ左右，非阴影区 8-11. 6 μπι透过，7. 4 μπι之前截止深度〈10% ;透过率下降沿50 %透过率点出现在 11. 6 μ m(公差0/+0· 2 μ m)，透过率下降沿尽量陡；5 μ m之前、14 μ m之后不用考虑。阴影区 11. 6-12. 5 μ m透过，透过率上升沿50 %透过率点出现在11. 6 μ m (公差-0. 3/0 μ m) ; 13 μ m 之后尽量截止；5μηι之前、14μηι之后不用考虑。
[0012] 本专利光学系统的优点是：系统较为紧凑，望远成像镜1的出瞳在低温窗口 4附 近，低温窗口 4可作为冷光阑，系统只需制冷后方光谱仪；全反射式光谱仪，均为轴对称面 型，光机件采用相同材质，采用金刚石车削技术能极大降低光加成本，提高低温光学热适配 性，减小低温光校难度，且易于保持系统性能；采用平面闪耀反射光栅，获取容易；滤光片 使长波背景抑制能力更强；适合在航空遥感领域应用。
【附图说明】
[0013] 图1为光学系统结构示意图。
[0014] 图中：1为望远成像镜；2为低温光谱仪；3为低温窗口；4为视场光阑；
[0015] 5为转折镜；6为三镜；7为次镜；8为主镜；9为平面闪耀光栅；
[0016] 10为滤光片。
[0017] 图2为滤光片示意图。
【具体实施方式】
[0018] 根据图1的光学结构图，设计了一个长波红外成像光谱仪光学系统，可用于机载 航空遥感对地探测，推扫成像，光学系统指标列于表1。望远成像镜设计数据列于表2,光栅 具体设计参数列于表3,光谱仪反射系统设计数据列于表4。滤光片长10. 7mm，宽14mm，阴 影区偏离中心I. 5mm〇
[0019] 表1光学系统的技术指标
【主权项】
1. 一种长波红外成像光谱仪光学系统，由望远成像镜⑴和低温光谱仪⑵组成；其 特征在于： 所述的低温光谱仪（2)由低温窗口（3)、视场光阑（4)、转折镜（5)、三镜（6)、次镜（7)、 主镜（8)、平面闪耀光栅（9)和滤光片（10)组成；来自物方的辐射经望远成像镜（1)，穿过 低温窗口（3)，会聚到低温光谱仪（2)中的视场光阑（4)上，经转折镜（5)转折之后，再经往 返复用三反系统的三镜（6)、次镜（7)、主镜（8)，到达平面闪耀光栅（9)上进行反射分光，重 新经往返复用三反系统的主镜（8)、次镜（7)、三镜（6)，最后经过滤光片（10)实现分光成 像。2. 根据权利要求1所述的一种长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于：所述的望 远成像镜（1)的F数小于1. 9,视场大于15° ;所述的望远成像镜（1)为透射镜头，透镜材 料为锗和硒化锌，校正色差，其中第一个透镜的第一面为8次非球面用于校正大视场畸变， 其余面为球面，望远成像镜（1)的出瞳在后方，也是低温光谱仪（2)的入瞳所在，与低温窗 口（4)接近，望远成像镜（1)不制冷。3. 根据权利要求1所述的一种长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于：所述的低 温光谱仪（2)的放大倍率-1. 05 < 0 < -0. 95 ;低温光谱仪（2)是一个往返复用的偏轴反 射系统，其中：三镜（6)是8次凹非球面、次镜（7)是8次凸非球面、主镜（8)是8次凹非球 面，三镜（6)、次镜（7)和主镜（8)相对于望远成像镜（1)的主光线均有离轴和10°以内的 倾斜，均为轴对称偶次非球面，三镜(6)、次镜（7)和主镜（8)采用便于高精度车削加工的金 属材质。4. 根据权利要求1所述的一种长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于：所述的平 面闪耀光栅（9)是一个反射光栅，刻线密度一般小于20线对/mm，光线入射角度较小，-1级 闪耀，表面镀金，衍射效率在8~12. 5 y m光谱范围内均匀，平均达70%。5. 根据权利要求1所述的一种长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于：所述的滤 光片（10)是一个分区滤光片，光谱要求低温100K左右，非阴影区8-11. 6 ym透过，7.4 ym 之前截止深度〈10 % ;透过率下降沿50 %透过率点出现在11. 6 y m，公差0/+0? 2 y m，透过 率下降沿陡直；5 y m之前、14 y m之后不用考虑；阴影区11. 6-12. 5 y m透过，透过率上升沿 50 %透过率点出现在11. 6 ym，公差-0. 3/0 ym ; 13 ym之后截止；5 ym之前、14 ym之后不 用考虑。
【专利摘要】本专利公开了一种长波红外成像光谱仪光学系统，它用于对8～12.5μm波段实现精细分光光谱成像。其特征在于：系统由结构简单的透射式望远成像镜、全反射式低温光谱仪组成。光谱仪中的准直和会聚功能通过一个往返复用偏轴三反完成，利于像差校正、引入平面光栅、光学制造和低温光校。本专利解决了现有技术中采用曲面光栅分光的系统制造成本高昂、采用棱镜或平面光栅分光的系统制冷功耗大、透射镜头离焦、低温光校困难的问题。采用本专利所述的长波红外成像光谱仪光学系统，F数可小于1.9，视场大于15°，可应用于航空遥感领域。
【IPC分类】G01J3/28
【公开号】CN204964019
【申请号】CN201520371870
【发明人】袁立银, 何志平, 李春来, 王跃明, 舒嵘, 王建宇
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2016年1月13日
【申请日】2015年6月2日