CN103048045A - 消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统 - Google Patents
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Abstract
消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统，涉及光学成像领域，解决现有光谱成像系统采用凸面光栅存在衍射效率低，光通量小等缺点；采用凹面光栅存在冷光阑设计困难并且曲面光栅的成像像差较大，严重影响曲面光栅仪器的光谱分辨率的问题，它为折反混合式系统，被观测瞬时视场所包含的遥感目标发出的长波红外辐射，通过前置离轴三反望远系统成像在狭缝上，通过准直系统后出射为平行光，再通过平面光栅在垂直狭缝方向分光，利用离轴透镜消除光栅产生的谱线弯曲并聚焦在一次像面上，最后通过二次成像物镜在制冷型面阵探测器上得到瞬时视场目标的高光谱图像。本发明所述系统具有谱线弯曲小、光谱分辨率高、成像质量好、结构合理的优点。
Description
技术领域
本发明涉及光学成像系统，具体涉及一种特别适用于红外遥感系统的成像光谱仪。
背景技术
成像光谱仪器的核心为光谱分光系统，目前在遥感探测领域正在运行和研制的成像光谱仪主要为色散式成像光谱仪。其中，棱镜分光的缺点是光谱成像谱线弯曲较大，并且具有很大的色散非线性；而采用平面光栅分光的常规成像光谱系统，狭缝方向垂直于系统的子午面，狭缝上不同物点发出的光线通过平面光栅后会产生谱线弯曲。
谱线弯曲是指狭缝的不同波长弯曲图像与直线的偏离程度，它会导致光谱混叠。为了减小谱线弯曲和谱带弯曲，近年来，很多国内外学者研究了将光栅或棱镜应用于Offner中继结构组成Offner结构的光谱成像系统，这种结构在一定程度上实现了光谱成像系统的小型化和轻量化；但由于采用的是凸面光栅，具有衍射效率低，光通量小，偏振灵敏度高，有级次重叠，高级衍射杂光、鬼像多等缺点。此外，Warren等对基于凹面光栅的Dyson同心成像光谱仪进行了研究；但该系统存在冷光阑设计困难、制冷系统体积大的缺陷。曲面光栅还有自身存在的不足：曲面光栅的成像像差较大，严重地影响了曲面光栅仪器的光谱分辨率，为了改善光栅的成象质量，光栅上的刻线不再是等间距的直线了，这给机刻工艺带来十分巨大的困难。由于国内外凸面光栅的加工技术均不够成熟，且价格昂贵，目前国内的应用需求主要还是依赖进口，这大大增加了光谱分光系统的制作难度和成本。
发明内容
本发明为解决现有光谱成像系统采用凸面光栅存在衍射效率低，光通量小等缺点；采用凹面光栅存在冷光阑设计困难并且曲面光栅的成像像差较大，严重影响曲面光栅仪器的光谱分辨率的问题，提供一种消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统。
消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统，该系统包括前置离轴三反望 远系统和光谱分光系统，所述光谱分光系统包括狭缝、准直系统、反射式平面光栅、离轴透镜、二次成像物镜、冷光阑和制冷型面阵探测器，遥感目标发出的长波红外光束经前置离轴三反望远系统成像在狭缝上，然后经准直系统后出射为平行光，所述平行光经反射式平面光栅在垂直狭缝的方向分光，分光后的光束经离轴透镜聚焦在一次像面上，最后光束通过二次成像物镜和冷光阑在制冷型面阵探测器上得到瞬时视场目标的高光谱图像。
本发明的工作原理：被观测瞬时视场所包含的遥感目标发出的长波红外辐射，通过前置离轴三反望远系统成像在狭缝上，通过准直系统后出射为平行光，再通过平面光栅在垂直狭缝方向分光，利用离轴透镜消除光栅产生的谱线弯曲并聚焦在一次像面上，最后通过二次成像物镜在制冷型面阵探测器上得到瞬时视场目标的高光谱图像。这样，面阵探测器得到的每帧图像是与狭缝对应的目标条带区域的光谱图像数据。若让成像光谱仪相对目标运动，让前置望远物镜形成的目标像依次通过狭缝，同时记录狭缝的光谱图像，即得到目标的光谱图像三维数据。
本发明的有益效果：本发明所述的消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统的最大谱线弯曲小于14.3um,光谱分辨率高达20nm，空间分辨率为150urad，冷光阑效率达100%，本发明适用于响应光谱范围为8~12μm的长波红外波段探测器，具有谱线弯曲小、光谱分辨率高、成像质量好、结构合理的优点。
附图说明
图1为本发明所述的消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统的结构示意图；
图2为本发明所述的消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统在三个不同中心波长8μm、10μm、12μm处光谱分辨率为20nm的点斑图；
图3中(a)、(b)、(c)分别为本发明所述的消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统在中心波长为8μm、10μm、12μm处的调制传递函数MTF曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1说明本实施方式，消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统，该系统为折反混合式系统，包括前置离轴三反望远系统和光谱分光系统，前置离轴三反望远系统由主镜1、次镜2和三镜3组成，光谱分光 系统由狭缝4、准直系统、反射式平面光栅7、离轴透镜8、二次成像物镜10、冷光阑11以及制冷型面阵探测器12构成；被观测瞬时视场所包含的遥感目标发出的长波红外辐射，通过前置离轴三反望远系统成像在狭缝4上，通过准直系统后出射为平行光，再通过反射式平面光栅7在垂直狭缝4方向分光，利用离轴透镜8消除反射式平面光栅7产生的谱线弯曲并聚焦在一次像面9上，最后通过二次成像物镜10和冷光阑11在制冷型面阵探测器12上得到瞬时视场目标的高光谱图像。
本实施方式所述的前置望远系统为离轴三反系统，以实现无遮拦、大口径、高质量成像，其通光口径为100mm，点斑远小于艾里斑，成像质量达到衍射极限；准直系统由两片分离式负透镜5和正透镜6组成，主要像差球差和彗差校正；离轴透镜8基本平衡了反射式平面光栅7产生的谱线弯曲并将狭缝4的光谱图像聚焦在一次像面上；最后通过二次成像物镜10将光谱图像成像在制冷型面阵探测器12上；为了获得100%的冷光阑效率，所述的冷光阑11作为系统的孔径光阑，同时也是系统的出瞳。
本实施方式所述的二次成像物镜10由三片透镜组成，分别为第一片透镜10-1、第二片透镜10-2和第三片透镜10-3。其中第一片透镜10-1和和第三片透镜10-3的后表面为圆锥曲面，其余皆为球面；所述的二次成像物镜10、冷光阑11和制冷型面阵探测器12沿同一光轴放置。
具体实施方式二、结合图1至图3说明本实施方式，本实施方式为具体实施方式一所述的消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统的实施例：
本实施例所述的一种消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统，系统工作在8~12μm的长波红外波段。前置望远系统的F数为2，通光孔径为100mm，视场为±1.375°；在光谱分光系统中，准直系统和成像系统中的离轴透镜8和二次成像物镜10焦距均为38.4mm，狭缝4大小和制冷型面阵探测器12上狭缝像面尺寸也相同，为9.6mm×30um；对于反射式平面光栅7，光栅常数为20μm，系统使用的衍射级次为+1。
结合图2至图3说明本实施方式，图2为不同中心波长处光谱分辨率为20nm的点斑图，可以看出系统成像点斑小，光谱分辨率高达20nm。图3为不同中心波长处系统的光学传递函数曲线，其中，(a)、(b)、(c)中的八条传函曲线分别代 表衍射极限以及视场为0°、0.963°、1.375°时子午和弧矢方向的传递函数，各个视场的传函都接近衍射极限，在Nyqusit频率处最小传函大于0.39，因此该光学系统的设计完全能够满足光学系统的成像要求。系统的谱线弯曲曲线，未校正谱线弯曲时系统的谱线弯曲最大值超过180um，校正后小于14.3um，满足探测器要求。
以位于前置望远系统中的主镜1前的虚拟面为全局坐标参考面，得到了光学结构参数设计结果：
结合表1，表1为光学系统结构参数表，透镜后的标注-1、-2分别表示透镜的前表面和后表面；偏心量DY表示相对参考面的y方向偏心；倾斜角度TX表示相对参考面绕x轴的旋转角度，顺时针为正，逆时针为负；非球面系数Conic/4th表示透镜表面圆锥系数/4次非球面系数。
表1
Claims (5)
1.消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统，该系统包括前置离轴三反望远系统和光谱分光系统，所述光谱分光系统包括狭缝（4）、准直系统、反射式平面光栅（7）、离轴透镜（8）、二次成像物镜（10）、冷光阑（11）和制冷型面阵探测器（12）；其特征是，遥感目标发出的长波红外光束经前置离轴三反望远系统成像在狭缝（4）上，然后经准直系统后出射为平行光，所述平行光经反射式平面光栅（7）在垂直狭缝（4）的方向分光，分光后的光束经离轴透镜（8）聚焦在一次像面（9）上，最后光束通过二次成像物镜（10）和冷光阑（11）在制冷型面阵探测器（12）上得到瞬时视场目标的高光谱图像。
2.根据权利要求1所述的消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统，其特征在于，所述前置离轴三反望远系统包括主镜（1）、次镜（2）和三镜（3），所述遥感目标发出的长波红外光束依次经主镜（1）、次镜（2）和三镜（3）后在狭缝（4）上成像。
3.根据权利要求1所述的消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统，其特征在于，所述准直系统由分离式的负透镜（5）和正透镜（6）组成，光束依次经负透镜（5）和正透镜（6）后变为平行光束。
4.根据权利要求1所述的消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统，其特征在于，所述二次成像物镜（10）由三片透镜组成，其中第一片透镜（10-1）和第三片透镜（10-3）的后表面为圆锥曲面，第一片透镜（10-1）的前表面、第二片透镜（10-2）的前表面、第二片透镜（10-2）的后表面和第三片透镜（10-3）的前表面为球面。
5.根据权利要求1所述的消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统，其特征在于，所述的二次成像物镜（10）、冷光阑（11）和制冷型面阵探测器（12）依次同轴放置。
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