多模态深空探测甚长波红外成像光谱仪系统及设计方法

本发明涉及光谱仪设计，尤其涉及一种多模态深空探测甚长波红外成像光谱仪系统及设计方法。

背景技术：

1、近年来，随着空间探索的不断深入，诞生在二十世纪八十年代的成像光谱技术，因其能够提供更多的物质信息，所以备受瞩目。色散型光谱仪由于其数据的直观性和系统的稳定性而成为多种仪器的首选方案。在深空探测过程中，通常需要多种不同光谱探测能力的成像光谱仪组合使用，以获得多模态仪器，进而实现由低至高的光谱探测能力。目前，获得不同光谱分辨率的主要方法就是，为仪器配备多种不同光谱分辨的光谱仪终端。其工作方式为，优先使用低光谱分辨率仪器进行巡天观测，而后通过仪器指向机构调整中或高光谱分辨率光谱仪观测目标星域进行精细光谱分析。然而，此种方法需要多台仪器终端，系统体积较大、工作复杂且成本较高。

2、1991年芬兰国立技术研究中心实验室的aikio.m发明了棱镜-光栅-棱镜(prism-grating-prism，pgp)组合分光器件，并在芬兰、美国和欧洲获得了专利。1992年，芬兰国立技术研究中心实验室报导了基于p-g-p组合分光器件的成像光谱仪，并且于1993年首次应用于空中推扫光谱成像遥感实验。90年代后期，对此种光谱仪有了进一步的发展以及更广的应用，除了应用在空中成像光谱仪外，由于它具有直视性和结构紧凑等优点，还用于显微超光谱成像系统。目前，现有常用的实现多种模态的深空探测甚长波红外成像光谱仪设计方法只有一种，即尽可能多的搭载不同工作模态的成像光谱仪系统。使用此种方法增加了成像光谱仪的数量，不利于系统的小型化与轻量化设计。

3、当前，为获得多种光谱观测能力的主要方法为设计多台类似的不同光谱分辨能力仪器，通过分光光路将系统有序的组合在一起可以获得不同模态的光谱观测能力。然而，这样的方法却存在着仪器系统设计复杂，光学元件数量较多，系统体积重量较大，同时此类系统需要多块探测器，而甚长波红外光谱探测通常需要工作在深低温环境下，多探测区域为系统的温度控制带来极大的挑战。

4、如附图1所示，在spica红外光谱仪系统中，系统包括lr，mr和hr三台光谱仪系统，可以分别提供由低至高的光谱分辨率。在该系统中，由于在所观测的谱段没有合适的透射材料，系统大量使用反射光学元件。以lr系统为例，在该系统中存在由两片反射镜组成的离轴反射式准直镜组和由五片反射镜组成的离轴反射式汇聚镜组，系统十分复杂。并且，每一光谱仪系统均存在类似的复杂程度，这使得整个仪器的复杂程度急剧增加。多种光谱仪系统整体组合后，系统的体积重量较大，各仪器均需要精细的装调，同时整机又需要整体测试标定，这为系统的集成带来了较大的困难。现有的技术方案，采用多种工作模态仪器组合实现系统多模态的方法，会增加系统的体积、重量、复杂性和成本等问题。以上述方案为例，每一种工作模态的光谱仪均为独立的设计。在每一种光谱仪的设计中，设计者需要构建准直和汇聚光路，并调整仪器的结构布局来满足系统的设计要求。在该过程中，几乎不会存在结构参数相同的光学元件或元件组合，这使得每一个光学元件不具有通用特性，设计中需要加工和制造的光学元件极多。同时，为了满足仪器的整体结构布局的合理性，设计中较多的光学元件会存在偏心和倾斜，这为系统的装调和测试带来了极大的困扰。因此，使用上述方法进行系统设计，通常会使系统的体积较大、成本较高和制造困难。

5、在成像光谱仪中，棱镜和光栅是常用的分光元件。两者的分光原理是完全不同的。根据折射原理，光线的折射角与波长相关，不同波长具有不同的折射角。利用该原理，棱镜可以将光线按照波长依次分开。而光栅则是利用衍射原理，不同波长具有不同的衍射角，光栅同样可以将光线分成不同波长。分光元件将复色光分开，本质上是打破了系统的对称性。因此，光学系统会产生一些特殊的像差，如谱线弯曲和色畸变等。研究表明，棱镜和光栅的谱线弯曲像差的方向相反，将两者结合可以明显改善系统的谱线弯曲问题。在接下来的研究中，研究人员还发现利用棱镜-光栅-棱镜的结构可以获得实现直视型光路，这为系统带来极大的便利。在棱镜-光栅-棱镜的结构中，光栅为体全息光栅，第一块棱镜使入射到体全息光栅的光线满足布如斯特角。而第二块棱镜则可以折转色散后的光线，使其与光轴近似平行。对棱镜-光栅-棱镜结构进行简化可以得到一种集成的光学元件，它的前表面后表面存在一定的夹角，并且后表面为光栅衍射面，这种棱镜与光栅的组合结构被称为棱镜-光栅(grism)。棱镜-光栅结构更为简单，并且对光线入射角的要求较弱，可以采用传统的光栅刻划工艺制作，也可以采用超精密数控加工技术，例如单点金刚石车削方法等。棱镜-光栅可以适应不同光谱分辨能力的应用场景。因此，在天文观测领域，棱镜-光栅是应用最为广泛的分光元件之一。

6、然而，在带来更多便利的同时，棱镜-光栅也存在一定的问题。相比于棱镜-光栅-棱镜分光元件，由于缺少一块分光棱镜，棱镜-光栅难以获得直视型光路。主要原因之一是棱镜-光栅的顶角承担系统谱线弯曲像差的校正，该参数无法同时满足直视光路的设计要求。

技术实现思路

1、本发明为解决上述问题，提供一种多模态深空探测甚长波红外成像光谱仪系统及设计方法。

2、本发明第一目的在于提供一种多模态深空探测甚长波红外成像光谱仪系统，沿光路方向依次包括：

3、准直单元，采用透镜组结构；

4、分光转轮机构，包括若干棱镜-光栅分光元件，每个棱镜-光栅分光元件的结构参数不同；

5、成像单元，采用汇聚镜组结构；

6、入射光从狭缝入射至所述准直单元进行准直后变成平行光束，所述平行光束入射至所述分光转轮机构，经过一个棱镜-光栅分光元件后实现色散分光，色散光束再由所述成像单元成像，最终到达像面。

7、优选的，分光转轮机构上还包括若干滤光片，每个滤光片的结构参数不同；所述棱镜-光栅分光元件和所述滤光片分别以转轴为中心等距离布置在所述分光转轮机构上；所述平行光束入射至所述分光转轮机构，经过一个棱镜-光栅分光元件或滤光片后实现色散分光。

8、优选的，滤光片为窄带滤光片；所述分光转轮机构包括三个棱镜-光栅分光元件和三个窄带滤光片，三个棱镜-光栅分光元件的光谱分辨率分别小于400nm、100nm与50nm，三个窄带滤光片的为12.4μm、14.7μm与15.1μm。

9、优选的，多模态深空探测甚长波红外成像光谱仪系统的光谱波段范围为12～16μm，孔径数值为0.3～0.4，狭缝长度为15～25mm。

10、优选的，孔径数值为0.33，狭缝长度为20mm。

11、本发明第二目的在于提供一种多模态深空探测甚长波红外成像光谱仪系统的设计方法，用于设计一种多模态深空探测甚长波红外成像光谱仪系统，具体包括如下步骤：

12、s1.设计分光转轮机构：分光转轮机构中心点为转轴，所述转轴固定，以转轴为中心等距离布置若干棱镜-光栅分光元件，利用系统参数预置的方法可以获得棱镜-光栅分光元件的参数；具体包括：

13、根据线色散表达式：

14、

15、其中，f为光学系统焦距，δθλ为分光元件的在光谱范围内色散角；

16、δθλ可以被表示为：

17、

18、其中，g为棱镜-光栅分光元件的周期常数，i2为光线在棱镜-光栅分光元件衍射面的入射角，m为棱镜-光栅分光元件使用的衍射级次，λ1为探测波段的起始波长，λn为探测波段的终止波长；

19、通过棱镜-光栅分光元件的直视光路约束条件与色散条件，计算棱镜-光栅分光元件的参数；整理光栅周期常数g，表达式如下：

20、

21、整理式(2)与(3)可以得到：

22、

23、结合式(1)、(2)与(4)，获得棱镜-光栅分光元件的参数；

24、s2.根据系统的技术指标，计算初始参数，包括准直单元中准直镜组的焦距、成像单元中汇聚镜组的焦距、棱镜-光栅分光元件的刻线数；

25、s3.系统建模，设置各组件，优化，保证准直后的出射光线的准直性、像质以及各元件干涉。

26、优选的，棱镜-光栅分光元件的为三个，所述分光转轮机构上还布置有三个窄带滤光片。

27、优选的，三个棱镜-光栅分光元件的光谱分辨率分别小于400nm、100nm与50nm，三个窄带滤光片的中心波长分别为12.4μm、14.7μm与15.1μm。

28、与现有技术相比，本发明能够取得如下有益效果：

29、(1)本系统设计分光转轮机构切换不同光学元件至系统中，同时满足棱镜-光栅分光元件或平行平板型滤光片等光学元件的像差校正要求，进而同时满足多种光谱观测模式。

30、(2)本发明设计方法利用直视型光路的优势，分析棱镜-光栅分光元件谱线弯曲像差与直视光路的校正特点，进而确定棱镜-光栅分光元件的结构参数。

31、(3)面向深空探测甚长波红外波段，设计了12μm～16μm光谱波段的成像光谱仪系统；设计者可以根据自身使用的光谱探测波段合理的调整仪器工作波段，本专利提出的系统可以根据调整后适用于任何光谱探测波段。