CN105136296B - 一种长波成像光谱仪低温模型及其装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种长波成像光谱仪低温模型及其装调方法，低温模型由望远成像镜、冷箱、光谱仪和焦平面组件组成。望远成像镜常温，光谱仪真空制冷。通过冷箱窗口与望远成像镜相连，通过一个柔性连接件将光谱仪和焦面组件相连。装调方法是常温装配好望远成像镜、光谱仪，安装焦面组件到柔性连接件，安装望远成像镜和柔性连接件到冷箱，真空制冷光谱仪，低温下调节焦面组件，低温下调节望远成像镜。本发明中只需制冷后方光谱仪，全反射式光学模块的光机件采用相同材质，带有柔性连接的焦面组件自身制冷，降低制冷压力，减小装调难度，且易于保持系统性能。适合在航空遥感领域应用。

Description

一种长波成像光谱仪低温模型及其装调方法

技术领域

本发明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长波红外成像光谱仪的低温模型及其装调方法。

背景技术

上世纪九十年代开始，美国率先开展了热红外谱段成像光谱仪的研制，代表仪器有：1996年，美国研制的SEBASS机载红外高光谱成像仪，含有长波7.5～13.5μm谱段，光谱采样为50nm，瞬时视场为1mrad，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7.5～14.0μm，64个光谱波段，100μm的光谱采样，3.6mrad的空间分辨率，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。之后继续研制完成了TIRIS-II和TIRIS-III。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8～12.5μm，光谱波段128个，瞬时视场0.9为mrad，全视场6.6°，可用于地面和机载成像，三反射镜望远物镜，F数2.5，平面光栅分光，35nm的光谱分辨率，探测器是256×256元，40μm焦平面列阵，合并成128×128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。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，工作波段为8～9μm，后期将扩展到8～12μm工作波段。紧凑的光学系统采用透射式物镜，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。狭缝宽度为50μm，8～12μm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7.8～13.4μm，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，望远镜之后的成像光谱仪光机整体制冷抑制杂散热辐射。我国在2009年，研制了一台长波成像光谱仪的原理样机，采用光机整体制冷。

综上可知，在长波红外波段，精细分光后，每个波段的信号更小，抑制背景辐射非常必要。为进一步提升长波成像光谱仪的性能，提高信噪比，抑制仪器自身的长波辐射是长波成像光谱仪的关键技术之一。所采用的措施，一是采用背景抑制滤光片，二是对仪器进行制冷，将辐射极值移到8μm以下，降低8～14μm谱段的背景辐射。由于背景辐射与温度成四次方的关系，因此对光机子系统进行整机制冷，是抑制背景提高等效噪声温差最有效的方式。然而，对光机子系统进行整机制冷带来的后果之一是仪器的体积、重量和功耗显著增大，之二是低温光学装调难度的增大和装调精度的降低。

发明内容

本发明解决的技术问题是：基于上述已有技术存在的一些问题，本发明的目的是建立一种长波成像光谱仪低温模型，并给出相应的装调方法。

本发明的模型如图1所示。长波成像光谱仪低温模型由望远成像镜1、冷箱2、光谱仪3和焦面组件4组成。望远成像镜1常温，光谱仪3真空制冷。来自物方的辐射经望远成像镜1，穿过冷箱窗口3-1，进入冷箱2内的光谱仪3，会聚到视场光阑3-3上，再发射至光学模块3-4，经其分光成像，经过焦平面组件4的滤光片4-1，会聚到光敏面4-3上。

所述的望远成像镜1为透射镜头，常温使用，不制冷。望远成像镜1的出瞳在后方，也是冷箱2内的光谱仪3的入瞳所在，与冷箱窗口3-1接近，利于系统冷箱的冷光学设计以降低背景辐射影响。要求望远成像镜1的机械镜筒相对于视场光阑3-3轴向连续可调，调节精度0.005mm，其外表面金属原色，内表面发黑处理。

所述的冷箱2，其内外表面金属原色，有两个孔。一个入孔用于装配冷箱窗口3-1，一个出孔用于装配与焦面组件4相连的柔性连接件。通过与其相连的真空和制冷控制系统实现真空制冷。

所述的光谱仪3，由冷箱窗口3-1、冷屏罩3-2、视场光阑3-3、光学模块3-4和光学底板3-5组成。冷箱窗口3-1是光谱仪3的入瞳所在，为一片透过8-12.5μm的红外平片。冷屏罩3-2罩住视场光阑3-3、光学模块3-4和光学底板3-5，其外表面镀金，内表面发黑，利于阻止外来辐射，匀化内部辐射和杂光。视场光阑3-3是一个机械空气狭缝，其材质与光学元件的相同，表面发黑，在狭缝锥形槽内的超薄表面上激光刻蚀而成，狭缝厚度0.07mm以内，狭缝线性3μm以内。光学模块3-4是一个往返复用的偏轴全反射系统，兼具准直和会聚的功能；采用光机一体化设计，镜体和镜座均采用铝材料，便于高精度车削加工；镜体和镜座的安装面平面度小于0.005mm，镜座与光学底板3-5的安装面平面度优于0.008mm；镜体和镜座采用同种材料，热膨胀性能一致，不会发生严重温变离焦而影响分辨率的现象，同时利于保持光谱仪在制冷前后的光学系统参数和性能；镜体光学面镀金反射膜，其余面及镜座各面发黑。光学底板3-5，与光学模块3-4相连的一面发黑处理，与光学模块3-4的装配面平面度小于0.008mm；其余面金属原色；与冷箱2之间用隔热材料相连。

所述的焦面组件4，本身制冷到60K以下，由滤光片4-1、冷屏4-2、光敏面4-3和制冷机等组成。滤光片4-1，粘接在冷屏4-2的前端面上，其尺寸要求从光敏面4-3上看不见冷屏4-2内表面；滤光片4-1是一个带通滤光片，光谱要求低温60K能截止7.8μm之前和13μm之后的辐射。冷屏4-2是放样矩形锥零件，内表面要求高吸收发黑处理，外表面发亮。

所述的冷箱内的光谱仪3和焦面组件4之间有一个柔性连接件，在真空制冷情况下，调节焦面组件4，以实现成像光谱仪的低温装调。

所述的一种长波成像光谱仪低温模型，其装调方法是：1)、常温装配望远成像镜1；2)、常温装调光谱仪3；3)、常温装配柔性连接件到焦平面组件4；4)、常温装配光谱仪3到冷箱2；5)、通过柔性连接件将焦平面组件4连接到冷箱2；6)、常温装配望远成像镜1到冷箱2，从视场光阑3-3处反向对焦；7)、封冷箱2，真空制冷；8)、黑体辐射望远成像镜1，加装调滤光片在望远成像镜1入口，调节焦平面组件4使该谱线的光谱位置符合设计，半高宽与装调滤光片吻合；9)、无穷远狭缝对目标辐射望远成像镜1，调节望远成像镜1使狭缝对像明暗对比度最高，调节焦平面组件4使狭缝对像空间位置符合设计；10)、重复8)和9)步骤，直至焦平面组件4上装调滤光片的谱线位置和狭缝对像的空间位置符合设计，滤光片谱线半高宽最小和狭缝对像最清晰、对比度最高。

本发明的低温模型及装调方法的优点是：系统紧凑，光机子系统分为非制冷望远成像镜1和制冷光谱仪3。望远成像镜1的出瞳在冷箱窗口3-1附近，冷箱窗口3-1可作为冷光阑，系统只需制冷后方光谱仪3，减小制冷资源压力。全反射式光谱仪3，光机件采用相同材质，降低光加成本，减小低温装调难度，且易于保持系统性能；光谱仪3与焦平面组件4有一个柔性连接，易于低温装调；滤光片4-3使长波背景抑制能力更强；低温装调简单易操作；适合在航空遥感领域应用。

附图说明

图1为长波成像光谱仪低温模型，

图中：

1为望远成像镜；

2为冷箱；

3为光谱仪；

3-1为冷箱窗口3-1；

3-2为冷屏罩；

3-3为视场光阑；

3-4为光学模块；

3-5为光学底板；

4为焦面组件；

4-1为滤光片；

4-2为冷屏；

4-3为光敏面。

具体实施方式

根据以上说明，给出一个较好的实施例：

表1低温模型参数

光谱范围	8-12.5μm
		系统F数	2
瞬时视场	0.75mrad
		光谱分辨率	优于50nm

表2设计结果

根据所述的装调方法，选用的装调滤光片性能为：中心波长8.15μm，半高宽125nm；选用的无穷远狭缝对为0.75mrad。最终的装调结果可达到：光敏面上对应的装调滤光片谱线在39列，半高宽占5个元；狭缝对在161行，其明暗对比度0.1。装调符合设计要求。

Claims (2)

1.一种长波成像光谱仪低温模型，由望远成像镜(1)、冷箱(2)、光谱仪(3)和焦平面组件(4)组成，其特征在于：

来自物方的辐射经望远成像镜(1)，穿过冷箱窗口(3-1)，进入冷箱(2)内的光谱仪(3)，会聚到视场光阑(3-3)上，再入射至光学模块(3-4)，经其分光成像，经过焦平面组件(4)中的滤光片(4-1)，会聚到光敏面(4-3)上；

所述的光谱仪(3)由冷箱窗口(3-1)、冷屏罩(3-2)、视场光阑(3-3)、光学模块(3-4)和光学底板(3-5)组成；冷箱窗口(3-1)是光谱仪(3)的入瞳位置，冷屏罩(3-2)罩住视场光阑(3-3)、光学模块(3-4)和光学底板(3-5)，其外表面镀金，内表面发黑；视场光阑(3-3)是一个机械狭缝，其材质与光学元件的相同，表面发黑，在狭缝锥形槽内的超薄表面上激光刻蚀而成，狭缝厚度0.07mm以内，狭缝线性3μm以内；光学模块(3-4)是全反射系统，兼具准直和会聚的功能；采用光机一体化设计，镜体和镜座均采用铝材料；镜体和镜座的安装面平面度小于0.005mm，镜座与光学底板(3-5)的安装面平面度优于0.008mm；镜体光学面镀金反射膜，其余面及镜座各面发黑；光学底板(3-5)，与光学模块(3-4)相连的一面发黑处理，与光学模块(3-4)的装配面平面度小于0.008mm；其余面金属原色；与冷箱(2)之间用隔热材料相连。

2.一种装调如权利要求1所述一种长波成像光谱仪低温模型的方法，其特征在于方法步骤如下：

1)、常温下装配望远成像镜(1)；

2)、常温下装调光谱仪(3)；

3)、常温下装配柔性连接件到焦平面组件(4)；

4)、常温下装配光谱仪(3)到冷箱(2)；

5)、通过柔性连接件将焦平面组件(4)连接到冷箱(2)；

6)、常温装配望远成像镜(1)到冷箱(2)，从视场光阑(3-3)处反向对焦；

7)、封冷箱(2)，真空制冷；

8)、黑体辐射望远成像镜(1)，加装调滤光片在望远成像镜(1)入口，调节焦平面组件(4)使谱线的光谱位置符合设计，半高宽与装调滤光片吻合；

9)、无穷远狭缝对目标辐射望远成像镜(1)，调节望远成像镜(1)使狭缝对像明暗对比度最高，调节焦平面组件(4)使狭缝对像空间位置符合设计；

10)、重复步骤8)和9)，直至焦平面组件(4)上装调滤光片的谱线位置和狭缝对像的空间位置符合设计，滤光片谱线半高宽最小和狭缝对像最清晰、对比度最高。