CN101520343B - 热红外光谱成像系统装校装置及装校方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于面阵探测器的热红外光谱成像系统的装校方法。根据镀热红外增透膜的透镜表面对可见光有较强的反射，提出一种借助于黑体、狭缝对、辅助平面镜、精密转台、内调焦望远镜和平行光管等辅助物件而实现的装校方法。将黑体与狭缝对置于平行光管焦面处模拟无穷远辐射，观察其狭缝对在探测器光敏面上的像的清晰程度来确定各镜头和元件的相对位置。本发明的装校方法可有效解决热红外光谱成像系统无法通过目视或其它常用光学仪器进行光学装校的问题，使该类系统装校周期缩短，可重复性强。
Description
技术领域
本发明涉及光学仪器装校工艺技术，具体是指一种长波红外光谱成像系统的装校装置及装校方法，它也适用于可见近红外或中波红外光谱成像系统的系统装校。
背景技术
光谱成像系统能同时获得影像信息与像元光谱信息，能从获取的遥感数据中直接分析目标的物质成分，从而有效地识别地物、分辨目标、揭露军事伪装。目前，国内外对可见近红外波段的光谱成像系统的研究已颇为普遍，而对热红外波段，尤其是8微米以上的热红外波段、精细分光的光谱成像系统的研究还比较少。与国外相比，我国热红外谱段、精细分光的光谱成像系统只有极个别研究机构正开展预先研究，与国际上热红外高光谱成像技术的快速发展差距很大。
国内上海技术物理研究所研制的OMIS光谱成像系统，其前组望远镜是与可见至中红外波段共用的两镜系统，前组镜头已用可见波段装校好，只需装校后组会聚镜。其装校在要求精度和实现难度上要低得多。热红外波段的光谱成像系统，特别是精细分光的高光谱和超光谱成像系统，装校定标的关键技术是如何获得高信噪比。常温下，物体辐射主要集中在热红外波段，镜筒和系统内其它物件的辐射会形成可观的背景噪声，对常温下的装校造成很大困难，需要有强信号源来辅助系统装校。
发明内容
基于已有技术存在的一些问题，本发明的目的是设计一个热红外高光谱成像系统的简易高效装校方法。
本发明的热红外成像光谱仪装校如附图1所示，它包括精密转台1、平行光管载物台2、黑体3、狭缝对4、平行光管5、辅助平面镜7和内调焦望远镜8，精密转台1置于平行光管5出光管口的前方，待装校的热红外成像光谱仪放在精密转台1上，黑体3和狭缝对4放置在位于平行光管5焦面处的平行光管载物台2上，狭缝对4置于黑体3前，狭缝对4位于平行光管5焦面上，作为光轴辅助基准的内调焦望远镜8安置在待装校的热红外成像光谱仪旁边，辅助平面镜7用来调整前组望远镜的光轴和光栅座6-4的角度。
本发明的热红外成像光谱仪装校的具体方法如下：
1.检测用物件包含精密转台1、平行光管载物台2、黑体3、狭缝对4、平行光管5、辅助平面镜7和内调焦望远镜8。
2.装校先在常温下进行，确保光机部分和电子学部分都状态完好，再在低温真空下微调。常温下的步骤：
1)狭缝对4置于黑体3前，狭缝对4位置在平行光管5焦面处，黑体3辐射通过狭缝对4经由平行光管5准直。此黑体3与狭缝对5模拟无穷远处的物体。
2)后会聚镜6-3与探测器6-2对接，镜头接收经平行光管5准直后的辐射，狭缝对4清晰成像在探测器6-2上时，固定探测器6-2和后会聚镜6-3的位置。
3)转动精密转台使内调焦望远镜8对准后会聚镜6-3的第一个透镜表面，调节内调焦望远镜8位置使其镜面反射回的十字叉丝与内部的十字叉丝重合，此时的精密转台位置记为零点(以下旋转的角度以此为零点计算)。
4)保持内调焦望远镜8位置和高度不变。精密转台1旋转(180°-θ1)角度(θ1为后会聚镜6-3与前组望远镜的光轴折转角度)，在平台6-0上放置系统前组望远镜，包括望远物镜6-8和准直镜6-6，两者同轴由机械件保证，此时，望远物镜6-8第一个透镜表面和内调焦望远镜8的位置并未对准，因此，借助一个辅助平面镜7，将其与望远物镜6-8的头部机械前端面贴合，调节前组望远镜观察其反射回来的内调焦望远镜8的十字叉丝与内部的十字叉丝重合，说明前组望远镜光轴已与后会聚镜6-3光轴夹角为θ1。
5)在光轴折点处的光栅座6-4上放置辅助平面镜7，精密转台1同之前旋转方向再旋转θ1/2角度，即精密转台角度显示为(180°-θ1/2)，调内调焦望远镜8，使辅助平面镜反射回的十字叉丝与内部十字叉丝重合，保证平面镜在光路中的位置准确。
6)光机系统接收经平行光管5准直后的辐射，微分头调节准直镜6-6与望远物镜6-8间隔使狭缝对4能清晰成像在探测器6-2上，此时，准直镜6-6与望远物镜6-8的焦点正好重合。
7)在准直镜6-6和望远物镜6-8之间加入狭缝6-7，调节狭缝6-7前后位置使平行光管5焦面上的狭缝经光机系统后形成的像的信号最强，说明狭缝6-7正好在准直镜6-6和望远物镜6-8的焦面上。整个过程中，狭缝6-7缝宽由大变小至象元尺寸。
8)在光栅座6-4处，将平面闪耀光栅6-5替换掉辅助平面镜7，光栅刻线与狭缝6-7平行。精密转台反方向旋转(180°+θ1/2-θ2(θ2为设计的光栅入射角度))角度，即精密转台显示角度为(-θ1+θ2)，借助光栅面的反射，调节光栅面角度使内调焦望远镜8被反射自准回的十字叉丝与内部十字叉丝重合，说明光栅位置已经调好。此时，能看见探测器6-2光敏面上有被打开的狭缝6-7的光谱分布，但信噪比极低。至此，整个光机系统已经完成装校，也证明了整个系统的光机部分和电子学部分都状态完好，可以进行下一步的工作。
低温下，由于光学件的曲率和折射率变化，望远物镜6-8和准直镜6-6的间距需要重新调节，狭缝6-7的位置也需要重新调节，探测器6-2和后会聚镜6-3的间距也需要重新调节。调节量可以用软件分析得出。据此数据先调节好，再把整机放入冷箱中，在低温真空状态下进行测试和定标。
本发明的最大优越性在于：
1.对于无法通过目视或其它常用光学仪器来观察系统成像结果的热红外光谱成像系统，根据热红外镀膜的透镜表面对可见光有较强的反射，结合使用黑体、狭缝对、平行光管和内调焦望远镜，提出了一套简便有效的装校方法，使热红外光谱成像系统装校周期缩短，可重复性强。
2.用黑体与狭缝对置于平行光管焦面处模拟无穷远物体，测试光学镜头或系统的空间分辨率，能迅速反应出系统成像情况，亦可据此确定装校质量。
附图说明
图1为本发明的光学系统装校示意图。
图中：1为精密转台；
2为平行光管载物台；
3为黑体箱或者单色仪；
4为模拟目标--狭缝对；
5为平行光管；
6-0为平台；
6-1为探测器支撑台；
6-2为热红外面阵探测器；
6-3为后会聚镜；
6-4为光栅座；
6-5为平面闪耀光栅；
6-6为准直镜；
6-7为狭缝；
6-8为望远物镜；
7为辅助平面镜；
8为内调焦望远镜。
具体实施方式
下面根据图1给本发明一个较好实施例并作详细阐述：
待装校光谱成像系统的望远物镜、准直镜和会聚镜的焦距均为40mm，采用平面反射闪耀光栅，中心工作波长的光栅入射角θ2为41.8°，衍射角(θ1-θ2)为48.2°，望远镜头与后面的会聚镜头光路成θ1为90°。所用平行光管为自研仪器，其焦距为4000mm。探测器为面阵探测器，其象元尺寸0.03mm。狭缝对缝宽和间隔为4000×0.03/40＝3mm。黑体型号是上海福源公司的HFY-300A，黑体在平行光管载物台上，前面只有狭缝对，狭缝对位置在平行光管焦面处。按照本发明的方法先装校会聚镜与探测器相对位置，精密转台旋转90度后借助内调焦望远镜调整望远组的位置，精密转台再旋转45°后安放好辅助平面镜，调准直镜前后距离确定其与望远物镜的间隔，再放入狭缝并调节其于望远物镜的焦面位置。再将光栅代替辅助平而镜，借助内调焦望远镜调节光栅角度。最后进行低温微调。
Claims (2)
1.一种热红外光谱成像系统的装校装置，它包括精密转台(1)、平行光管载物台(2)、黑体(3)、狭缝对(4)、平行光管(5)、辅助平面镜(7)和内调焦望远镜(8)，其特征在于：精密转台(1)置于平行光管(5)出光管口的前方，待装校的热红外成像光谱仪放在精密转台(1)上，黑体(3)和狭缝对(4)放置在位于平行光管(5)焦面处的平行光管载物台(2)上，狭缝对(4)置于黑体(3)前，狭缝对(4)位于平行光管5焦面上，作为光轴辅助基准的内调焦望远镜(8)安置在待装校的热红外成像光谱仪旁边，辅助平面镜(7)用来调整前组望远镜的光轴和光栅座(6-4)的角度。
2.一种基于权利要求1所述的装校装置的热红外光谱成像系统的装校方法，其特征在于：它包括以下步骤：
A.常温装校：
1)狭缝对置于黑体(3)前，狭缝对(4)位置在平行光管(5)焦面处，黑体(3)辐射通过狭缝对(4)经由平行光管(5)准直，此黑体(3)与狭缝对(5)模拟无穷远处的物体；
2)后会聚镜(6-3)与探测器(6-2)对接，镜头接收经平行光管(5)准直后的辐射，狭缝对(4)清晰成像在探测器(6-2)上时，固定探测器(6-2)和后会聚镜(6-3)的位置；
3)转动精密转台使内调焦望远镜(8)对准后会聚镜(6-3)的第一个透镜表面，调节内调焦望远镜(8)位置使其镜面反射回的十字叉丝与内部的十字叉丝重合，此时的精密转台位置记为零点；
4)保持内调焦望远镜(8)位置和高度不变，精密转台(1)旋转180°-θ1角度，其中θ1是后会聚镜(6-3)与前组望远镜头的光轴折转角度，在平台(6-0)上放置系统前组望远镜，包括望远物镜(6-8)和准直镜(6-6)，两者同轴由机械件保证，此时，望远物镜(6-8)第一个透镜表面和内调焦望远镜(8)的位置并未对准，因此，借助一个辅助平面镜(7)，将其与望远物镜(6-8)的头部机械前端面贴合，调节前组望远镜观察其反射回来的内调焦望远镜(8)的十字叉丝与内部的十字叉丝重合，此时，前组望远镜的光轴已与后组会聚镜(6-3)光轴夹角为θ1；
5)在光轴折点处的光栅座(6-4)上放置辅助平面镜(7)，精密转台(1)同之前旋转方向再旋转θ1/2角度，即精密转台角度显示为180°-θ1/2，调内调焦望远镜(8)，使辅助平面镜反射回的十字叉丝与内部十字叉丝重合，保证平面镜在光路中的位置准确；
6)光机系统接收经平行光管(5)准直后的辐射，用微分头调节准直镜(6-6)与望远物镜(6-8)的间隔使狭缝对(4)能清晰成像在探测器(6-2)上，此时，准直镜(6-6)与望远物镜(6-8)的焦点正好重合；
7)在准直镜(6-6)和望远物镜(6-8)之间加入狭缝(6-7)，调节狭缝(6-7)前后位置使平行光管5焦面上的狭缝经光机系统后形成的像的信号最强，说明狭缝(6-7)正好在准直镜(6-6)和望远物镜(6-8)的焦面上，整个过程中，狭缝(6-7)缝宽由大变小至象元尺寸；
8)在光栅座(6-4)处，将平面闪耀光栅(6-5)替换掉辅助平面镜(7)，光栅刻线与狭缝(6-7)平行，精密转台反方向旋转180°+θ1/2-θ2角度，其中θ2为设计的光栅入射角度，即精密转台显示角度为-θ1+θ2，借助光栅面的反射，调节光栅面角度使内调焦望远镜(8)被反射自准回的十字叉丝与内部十字叉丝重合，说明光栅位置已经调好，此时，在探测器(6-2)光敏面上有被打开的狭缝(6-7)的光谱分布，至此，整个光机系统的常温装校完成；
B.低温装校
低温下，根据软件分析计算得出的调节量对望远物镜(6-8)和准直镜(6-6)的间距以及狭缝(6-7)的位置重新调节，探测器(6-2)和后会聚镜(6-3)的间距同样根据软件分析计算得出的调节量重新调节；调整完毕后，把整机放入冷箱中，装校工作完成。
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