CN105181136A - 一种长波红外成像光谱仪光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种长波红外成像光谱仪光学系统，它用于对8～12.5μm波段实现精细分光光谱成像。其特征在于：系统由结构简单的透射式望远成像镜、全反射式低温光谱仪组成。光谱仪中的准直和会聚功能通过一个往返复用偏轴三反完成，利于像差校正、引入平面光栅、光学制造和低温光校。本发明解决了现有技术中采用曲面光栅分光的系统制造成本高昂、采用棱镜或平面光栅分光的系统制冷功耗大、透射镜头离焦、低温光校困难的问题。采用本发明所述的长波红外成像光谱仪光学系统，F数可小于1.9，视场大于15°，可应用于航空遥感领域。
Description
技术领域
本专利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基于平面光栅色散的长波红外成像光谱仪光学系统。
背景技术
近来一二十年，长波红外成像光谱仪，已用来矿物识别与勘探、污染气体排放监测和高精度目标识别确认等，在国民生产、军事和科学研究等领域已开展应用。
早先的代表仪器有：1996年，美国研制的SEBASS机载红外高光谱成像光谱仪，光谱范围中含有长波7.5～13.5μm，光谱采样为50nm，瞬时视场1mrad，TMA反射望远物镜，分色镜透射长波红外，通过NaCl棱镜分光，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，20个像元，100μm的光谱采样，空间分辨率3.6mrad，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。为进一步提升性能和提高信噪比，之后继续研制完成了TIRIS-II和TIRIS-III。1998年，美国夏威夷大学研制完成AHI机载热红外高光谱成像仪，采用光栅分光，面阵探测器推帚成像。望远物镜是一个两元衍射受限传输透镜，口径35mm，焦距111mm。分光系统是一个f/4的商用非制冷反射式成像光谱仪，镀金。探测地雷时，AHI采用225μm宽度的狭缝，即沿轨(垂直狭缝方向)IFOV是2.02mrad，光谱分辨率125nm。穿轨的角分辨率是0.81mrad。探测器使用256×256元的RockwellTCM2250HgCdTe焦平面探测器，机械制冷到56K。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，瞬时视场0.9mrad，全视场6.6°，可用于地面和机载成像，入瞳口径35mm，三反射镜望远物镜，F数2.5，平面光栅分光，35nm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。早一代的长波红外成像光谱仪特点是：体积比较大，制冷温度相对不算低。所获得图像的信噪比和光谱特征进一步提高的空间很大。
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8～9μm，后期将扩展到8～12μm工作波段。紧凑光学系统采用透射式物镜，狭缝为视场光阑，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，分光计光机整体制冷抑制杂散热辐射。狭缝宽度75μm，合并光谱通道数32个，不含望远镜总视场14.7°，空间分辨率2mrad。自QWEST以来，长波成像光谱仪往紧凑型发展，更倾向考虑曲面光栅，使得系统的F#小，体积小，畸变低；相伴而生的是：曲面光栅制造成本高昂，透镜元件低温离焦而造成离焦能量损失，超短后截距使得探测器选择范围更小。
发明内容
本专利解决的技术问题是：基于上述已有技术存在的一些问题，本发明的目的是设计一种长波红外成像光谱仪光学系统，F数小于2，视场大于15°，对8～12.5μm实现光谱成像。
本发明的光学系统如图1所示。光学系统由望远成像镜1和低温光谱仪2组成。低温光谱仪2，由低温窗口3、视场光阑4和转折镜5、三镜6、次镜7、主镜8、平面闪耀光栅9和滤光片10组成。
来自物方的辐射经望远成像镜1，穿过低温窗口3，进入低温光谱仪2，会聚到视场光阑4上，再发射至转折镜5上，之后经三反系统的三镜6、次镜7、主镜8，到达平面闪耀光栅9上进行反射分光，重新经三反系统的主镜8、次镜7、三镜6，经过滤光片10后分光成像。
所述的望远成像镜1，不制冷，F数小于1.9，视场大于15°。望远成像镜1为透射镜头，透镜材料为锗和硒化锌，校正色差，其中第一个透镜的第一面为8次非球面用于校正大视场畸变，其余面为球面。望远成像镜1的出瞳在后方，也是低温光谱仪2的入瞳所在，与低温窗口4接近，利于系统的冷光学设计以降低背景辐射影响。
所述的低温光谱仪2的放大倍率-1.05≤β≤-0.95；低温光谱仪2在低温下工作，是一个往返复用的偏轴反射系统，兼具准直和会聚的功能，具有长线视场，反射式系统不会发生严重温变离焦而影响分辨率的现象。三镜6是8次凹非球面、次镜7是8次凸非球面、主镜8是8次凹非球面，三镜6、次镜7和主镜8相对于望远镜1的主光线均有离轴和10°以内的倾斜，均为轴对称偶次非球面，有效校正keystone和smile。长波段采用金属材质，便于高精度车削加工。
所述的平面闪耀光栅9是一个反射光栅，刻线密度一般小于20线对/mm，光线入射角度较小，-1级闪耀，表面镀金，衍射效率在8～12.5μm光谱范围内比较均匀，平均可达70％。相对于曲面光栅，制造成本较低，也能达到较好的性能。
所述的滤光片10是一个分区滤光片，光谱要求低温100K左右，非阴影区8-11.6μm透过，7.4μm之前截止深度<10％；透过率下降沿50％透过率点出现在11.6μm(公差0/+0.2μm)，透过率下降沿尽量陡；5μm之前、14μm之后不用考虑。阴影区11.6-12.5μm透过，透过率上升沿50％透过率点出现在11.6μm(公差-0.3/0μm)；13μm之后尽量截止；5μm之前、14μm之后不用考虑。
本专利光学系统的优点是：系统较为紧凑，望远成像镜1的出瞳在低温窗口4附近，低温窗口4可作为冷光阑，系统只需制冷后方光谱仪；全反射式光谱仪，均为轴对称面型，光机件采用相同材质，采用金刚石车削技术能极大降低光加成本，提高低温光学热适配性，减小低温光校难度，且易于保持系统性能；采用平面闪耀反射光栅，获取容易；滤光片使长波背景抑制能力更强；适合在航空遥感领域应用。
附图说明
图1为光学系统结构示意图。
图中：1为望远成像镜；2为低温光谱仪；3为低温窗口；4为视场光阑；
5为转折镜；6为三镜；7为次镜；8为主镜；9为平面闪耀光栅；
10为滤光片。
图2为滤光片示意图。
具体实施方式
根据图1的光学结构图，设计了一个长波红外成像光谱仪光学系统，可用于机载航空遥感对地探测，推扫成像，光学系统指标列于表1。望远成像镜设计数据列于表2，光栅具体设计参数列于表3，光谱仪反射系统设计数据列于表4。滤光片长10.7mm，宽14mm，阴影区偏离中心1.5mm。
表1光学系统的技术指标
表2望远成像镜设计数据
表3平面闪耀光栅参数
表4光谱仪反射系统设计数据
Claims (5)
1.一种长波红外成像光谱仪光学系统，由望远成像镜(1)和低温光谱仪(2)组成；其特征在于：
所述的低温光谱仪(2)由低温窗口(3)、视场光阑(4)、转折镜(5)、三镜(6)、次镜(7)、主镜(8)、平面闪耀光栅(9)和滤光片(10)组成；来自物方的辐射经望远成像镜(1)，穿过低温窗口(3)，会聚到低温光谱仪(2)中的视场光阑(4)上，经转折镜(5)转折之后，再经往返复用三反系统的三镜(6)、次镜(7)、主镜(8)，到达平面闪耀光栅(9)上进行反射分光，重新经往返复用三反系统的主镜(8)、次镜(7)、三镜(6)，最后经过滤光片(10)实现分光成像。
2.根据权利要求1所述的一种长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于：所述的望远成像镜(1)的F数小于1.9，视场大于15°；所述的望远成像镜(1)为透射镜头，透镜材料为锗和硒化锌，校正色差，其中第一个透镜的第一面为8次非球面用于校正大视场畸变，其余面为球面。望远成像镜(1)的出瞳在后方，也是低温光谱仪(2)的入瞳所在，与低温窗口(4)接近，望远成像镜(1)不制冷。
3.根据权利要求1所述的一种长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于：所述的低温光谱仪(2)的放大倍率-1.05≤β≤-0.95；低温光谱仪(2)是一个往返复用的偏轴反射系统，其中：三镜(6)是8次凹非球面、次镜(7)是8次凸非球面、主镜(8)是8次凹非球面，三镜(6)、次镜(7)和主镜(8)相对于望远成像镜(1)的主光线均有离轴和10°以内的倾斜，均为轴对称偶次非球面，三镜(6)、次镜(7)和主镜(8)采用便于高精度车削加工的金属材质。
4.根据权利要求1所述的一种长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于：所述的平面闪耀光栅(9)是一个反射光栅，刻线密度一般小于20线对/mm，光线入射角度较小，-1级闪耀，表面镀金，衍射效率在8～12.5μm光谱范围内均匀，平均达70％。
5.根据权利要求1所述的一种长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于：所述的滤光片(10)是一个分区滤光片，光谱要求低温100K左右，非阴影区8-11.6μm透过，7.4μm之前截止深度<10％；透过率下降沿50％透过率点出现在11.6μm，公差0/+0.2μm，透过率下降沿陡直；5μm之前、14μm之后不用考虑；阴影区11.6-12.5μm透过，透过率上升沿50％透过率点出现在11.6μm，公差-0.3/0μm；13μm之后截止；5μm之前、14μm之后不用考虑。
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN109239916A (zh) * | 2018-10-10 | 2019-01-18 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统 |
| CN112703377A (zh) * | 2018-08-10 | 2021-04-23 | 珀金埃尔默健康科学有限公司 | 具有反光表面的光谱仪以及相关仪器 |
| CN114460027A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-10 | 中船重工安谱（湖北）仪器有限公司 | 一种用于ftir光谱仪探测痕量物质所在区域的系统及方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090091753A1 (en) * | 2007-10-05 | 2009-04-09 | Burt Jay Beardsley | Three mirror anastigmat spectrograph |
| CN103048045A (zh) * | 2012-12-12 | 2013-04-17 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统 |
| US20140118738A1 (en) * | 2012-10-31 | 2014-05-01 | Corning Incorporated | Hyperspectral imaging system, monolithic spectrometer and methods for manufacturing the monolithic spectrometer |
| CN203965653U (zh) * | 2014-06-12 | 2014-11-26 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 用于超光谱成像系统中的消二级光谱集成滤光片 |
| CN104508439A (zh) * | 2012-07-26 | 2015-04-08 | 雷神公司 | 高效率多通道光谱仪 |
| CN204964019U (zh) * | 2015-06-02 | 2016-01-13 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 长波红外成像光谱仪光学系统 |
-
2015
- 2015-06-02 CN CN201510295835.9A patent/CN105181136A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20090091753A1 (en) * | 2007-10-05 | 2009-04-09 | Burt Jay Beardsley | Three mirror anastigmat spectrograph |
| CN104508439A (zh) * | 2012-07-26 | 2015-04-08 | 雷神公司 | 高效率多通道光谱仪 |
| US20140118738A1 (en) * | 2012-10-31 | 2014-05-01 | Corning Incorporated | Hyperspectral imaging system, monolithic spectrometer and methods for manufacturing the monolithic spectrometer |
| CN103048045A (zh) * | 2012-12-12 | 2013-04-17 | 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所 | 消谱线弯曲长波红外平面光栅成像光谱系统 |
| CN203965653U (zh) * | 2014-06-12 | 2014-11-26 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 用于超光谱成像系统中的消二级光谱集成滤光片 |
| CN204964019U (zh) * | 2015-06-02 | 2016-01-13 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 长波红外成像光谱仪光学系统 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN112703377A (zh) * | 2018-08-10 | 2021-04-23 | 珀金埃尔默健康科学有限公司 | 具有反光表面的光谱仪以及相关仪器 |
| CN109239916A (zh) * | 2018-10-10 | 2019-01-18 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统 |
| CN109239916B (zh) * | 2018-10-10 | 2023-09-12 | 中国科学院上海技术物理研究所 | 基于施密特望远镜和奥夫纳分光的高光谱成像仪光学系统 |
| CN114460027A (zh) * | 2021-12-30 | 2022-05-10 | 中船重工安谱（湖北）仪器有限公司 | 一种用于ftir光谱仪探测痕量物质所在区域的系统及方法 |
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