一种短波红外成像光谱系统的制作方法

本发明涉及成像光谱仪
技术领域：
，尤其涉及一种短波红外成像光谱系统。
背景技术：
：短波红外波段的辐射是指波长为1.0～2.5μm的红外辐射，其主要来源有太阳辐射、地物反射、高温物体自身热辐射以及人工辐射光源等。短波红外在军事上可应用于伪装识别、可见-短波红外双波段成像夜视、短波-热红外图像融合夜视、红外成像制导和激光雷达等。短波红外成像光谱仪可以同时获取目标空间维和光谱维的丰富信息，在土地资源调查、海洋环境监测、土壤水分和植被含水量监测、大气成分分析、植被物种探测分析、农作物长势监测和估产及防灾减灾等诸多领域有着极高的应用价值和广泛的应用前景。现有技术中的短波红外成像光谱仪一般由前置望远镜系统和分光系统组成，其中前置望远系统多采用离轴三反结构形式，离轴三反前置望远系统与透射式前置望远系统相比，设计比较复杂，体积比较大，加工成本高，装校检测比较困难，光机系统研制周期比较长。而分光系统主要分为光栅色散型和棱镜色散型，光栅型光谱仪受衍射效率的限制，系统进入探测器的能量较少，系统的信噪比较低，且光谱级次重叠，鬼像多。技术实现要素：本发明的目的是提供一种短波红外成像光谱系统，该系统结构紧凑、能量高、成本低、装校检测容易，能有效缩短短波红外成像光谱仪光机系统的研制周期。本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种短波红外成像光谱系统，所述系统包括前置望远系统、入射狭缝和光谱仪，其中：所述前置望远系统采用透射式同轴结构；所述光谱仪包括第一曲面棱镜、第一反射镜、第二曲面棱镜、第三曲面棱镜、第二反射镜和像面，其中：所述第一曲面棱镜和第三曲面棱镜分别放置于所述光谱仪的两臂上，所述第二曲面棱镜放置在所述光谱仪的次镜位置，光阑位于所述第二曲面棱镜的前表面；所述第一反射镜位于所述第一曲面棱镜的后方，所述第二反射镜位于所述第三曲面棱镜的后方；所述入射狭缝位于所述前置望远系统和光谱仪之间，无穷远处的地物经过所述前置望远系统成像在所述入射狭缝处；所述入射狭缝作为所述光谱仪的物面，发出的光束进入所述光谱仪，经所述第一曲面棱镜透射，再由所述第一反射镜反射，再经所述第一曲面棱镜透射后进入所述第二曲面棱镜，经所述第二曲面棱镜透射后由前表面反射再透射，再入射到所述第三曲面棱镜，经所述第三曲面棱镜透射后，再由所述第二反射镜反射，最后再经过一次第三曲面棱镜后色散成像至所述像面。针对所述光谱仪建立曲面棱镜光谱仪数值模型，并通过该模型获得所述光谱仪内各曲面棱镜与主镜的距离，以及所述光谱仪的结构参数。在所述系统设计过程中，进一步对短波红外波段1.0～2.5μm和可见光632.8nm单波段的成像质量进行设置，其中：短波红外波段1.0～2.5μm用于对地物成像，可见光632.8nm单波段用于光谱仪03的装调与检测。所述光谱仪中的曲面棱镜采用石英材料，利用其在短波红外波段折射率曲线线性特性，实现了光谱分辨率线性。由上述本发明提供的技术方案可以看出，上述系统结构紧凑、能量高、成本低、装校检测容易，能有效缩短短波红外成像光谱仪光机系统的研制周期。附图说明为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。图1为本发明实施例提供的短波红外成像光谱系统整体结构示意图；图2为本发明实施例可见光单波段632.8nm的mtf设计结果图；图3为本发明实施例波长1.0μm的mtf设计结果图；图4为本发明实施例波长1.5μm的mtf设计结果图；图5为本发明实施例波长2.0μm的mtf设计结果图；图6为本发明实施例波长2.5μm的mtf设计结果图。具体实施方式下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明的保护范围。下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述，如图1所示为本发明实施例提供的短波红外成像光谱系统整体结构示意图，所述系统主要包括前置望远系统01、入射狭缝02和光谱仪03，其中各部分组成及连接关系具体为：所述前置望远系统01采用透射式同轴结构；通过消像差设计对前置系统的材料及结构参数进行求解，实现了大视场的透射式前置望远系统设计，结构紧凑，成本低，有利于系统的加工装调与检测，大大的缩短前置望远系统的研制周期；所述光谱仪03包括第一曲面棱镜04、第一反射镜05、第二曲面棱镜06、第三曲面棱镜07、第二反射镜08和像面09，该光谱仪03中的曲面棱镜采用石英材料，利用其在短波红外波段折射率曲线线性特性，实现了光谱分辨率线性，其中：所述第一曲面棱镜04和第三曲面棱镜07分别放置于所述光谱仪03的两臂上，所述第二曲面棱镜06放置在所述光谱仪03的次镜位置，光阑位于所述第二曲面棱镜06的前表面；所述第一反射镜05位于所述第一曲面棱镜04的后方，所述第二反射镜08位于所述第三曲面棱镜07的后方；所述入射狭缝02位于所述前置望远系统01和光谱仪03之间，无穷远处的地物经过所述前置望远系统01成像在所述入射狭缝02处；所述入射狭缝02作为所述光谱仪03的物面，发出的光束进入所述光谱仪03，经所述第一曲面棱镜04透射，再由所述第一反射镜05反射，再经所述第一曲面棱镜04透射后进入所述第二曲面棱镜06，经所述第二曲面棱镜06透射后由前表面反射再透射，再入射到所述第三曲面棱镜07，经所述第三曲面棱镜07透射后，再由所述第二反射镜08反射，最后再经过一次第三曲面棱镜07后色散成像至所述像面09。具体实现中，可以针对光谱仪03建立曲面棱镜光谱仪数值模型，并通过该模型获得所述光谱仪内各曲面棱镜与主镜的距离，以及所述光谱仪的结构参数。举例来说，将所述光谱仪03每个球面方程z＝f(x,y)进行多阶级数展开，依次求得给定入射光线与每个光学元件表面的交点坐标，最终求得像点关于结构参数的函数关系，从而求解获得满足要求的光谱仪结构参数。光学元件的第一个面的球面方程级数展开式为：对该面型进行偏微分求导，可得在任意点的处法线矢量为将式(1)代入式(2)可得，给定入射光线与下一个光学面的交点坐标与给定起始点x1,y1这两个变量的表达式为：令由曲面棱镜光谱仪数值模型确定曲面棱镜半径、物距后，可求得主光线的入射光矢量和出射矢量。然后根据曲面棱镜的色散特性分析，入射光线在曲面棱镜的前表面的入射角应满足因此由数值模型可确定前表面的倾角，再根据数值模型及像差理论，根据矢量依次求解曲面棱镜与主镜的距离及光谱仪的其他结构参数。另外，在所述系统设计过程中，进一步对短波红外波段1.0～2.5μm和可见光632.8nm单波段的成像质量进行设计，其中：短波红外波段1.0～2.5μm用于对地物成像，可见光632.8nm单波段用于光谱仪03的装调与检测，从而大大缩短了短波红外成像光谱仪光学系统的研制周期。下面以具体的实例对上述系统的实施及工作过程进行详细说明：首先，根据系统指标要求，如表1所示，确定前置望远系统的焦距为88mm、视场角为16°，以及入射狭缝的长度为25mm。表1系统指标指标要求飞行高度22km幅宽优于6km谱段范围1.0～2.5μm光谱通道数优于100个空间分辨率/m≤6光谱分辨率/nm≤10然后通过消像差设计对前置望远系统的材料及结构参数进行求解，前置望远系统设计参数如表2所示：表2序号面型曲率半径/mm厚度/mm材料1球面31.611.5zns2球面85.143球面144.52.46znse4球面24.63.855球面49.38.3zns6球面-503.4znse7球面40947.78球面-30.715f_silica9球面-89.92310球面47.87zns11球面109.918再通过曲面棱镜光谱仪数值模型获得光谱仪的初始结构参数，初始结构参数如表3所示：表3序号面型曲率半径/mm厚度/mm材料1球面-14117f_silica2球面-21518.53球面-186-69.8mirror4球面-65-7f_silica5球面-99756球面-8313f_silica7球面106228球面-196.5-85.8mirror9像面然后按照上述系统的光路进行成像，如图1所示：无穷远处的地物经过所述前置望远系统01成像在所述入射狭缝02处；所述入射狭缝02作为所述光谱仪03的物面，发出的光束进入所述光谱仪03，经所述第一曲面棱镜04透射，再由所述第一反射镜05反射，再经所述第一曲面棱镜04透射后进入所述第二曲面棱镜06，经所述第二曲面棱镜06透射后由前表面反射再透射，再入射到所述第三曲面棱镜07，经所述第三曲面棱镜07透射后，再由所述第二反射镜08反射，最后再经过一次第三曲面棱镜07后色散成像至所述像面09。具体实现中，对短波红外宽波段1.0～2.5μm和可见光单波段632.8nm的成像质量进行优化，将所设计的前置镜和光谱仪进行对接，对中间像面和最后像面同步进行优化，经过全系统优化后，如图2所示为本实施例可见光单波段632.8nm的mtf设计结果图，图3为本实施例波长1.0μm的mtf设计结果图，图4为本实施例波长1.5μm的mtf设计结果图，图5为本实施例波长2.0μm的mtf设计结果图，图6为本实施例波长2.5μm的mtf设计结果图。从上述图中可以看出：各个波长在奈奎斯特频率以内的mtf值在全视场范围内均大于0.6，成像质量良好，满足系统指标要求。进一步的，上述可见光单波段632.8nm用于指导短波红外成像光谱仪的装调，通过定心仪，zygo干涉仪等可见光检测设备对系统进行装调，可大幅度减低整机的装调成本与周期；短波红外宽波段1.0～2.5μm用于对地物清晰成像。该系统最终设计结果为f数为3，系统总长170mm，光谱分辨率7nm，谱段数为110个，满足指标要求，能量为光栅系统的一倍以上，实现了高通量的需求，有效的提高了信噪比。值得注意的是，本发明实施例中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。例如改变光学面的偏心或者倾斜角、面与面之间的距离以及所使用的光学材料等，这些更改和变化不脱离本发明的实质范围。以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明披露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。当前第1页12