CN112326582A - 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，由物方至像方的光轴方向上，该光学系统依次包括前组望远物镜组(L1)、狭缝(L2)和准直物镜组(L3)；狭缝(L2)位于前组望远物镜组(L1)的成像位置；准直物镜组(L3)将透过狭缝(L2)的光束准直成平行光；该光学系统还包括：平面衍射光栅(L4)，经准直后的平行光入射在其上并发生衍射，不同波长的光因衍射角不同而色散分光；后组成像物镜组(L5)，将经平面衍射光栅(L4)色散的衍射光按波长成像到红外探测器焦平面上。本发明具有光谱分辨率高、色散线性度好、稳定性好等优点，且结构简单、成本低廉、易于实现。
Description
技术领域
本发明涉及成像光谱仪光学设计技术领域，尤其涉及一种基于平面反射光栅的长波红外成像光谱仪光学系统。
背景技术
光谱仪是一种能采集物质自身发出光、透射光与反射光，并将光源中所包含的光谱信息进行检测和分析的光学仪器装置。光谱仪的作用是将来自光源的不同波长的光谱信息通过分解或变换显示出来，光谱仪所记录的图形就是可供检测与分析的光谱图。
成像光谱技术同时获取被测物体的光谱特征及空间分布特性，可用于大气、水等污染状况的监测，以及矿物资源探测、农作物灾害预警等方面。在军事上，由于大多数毒气在长波红外波段有特定的吸收峰，利用红外光谱技术对化学试剂进行遥测，具有非接触、快速准确的优点。
目前国内外市场上长波红外成像光谱仪大多数都是基于迈克尔逊干涉仪的原理，迈克尔逊干涉仪需要高精度的运动扫描机构，例如使用运动的角镜，对外界震动极其敏感，对平台要求极高，导致其稳定性、抗干扰性都达不到机载、车载等特殊场合应用要求。
发明内容
本发明针对传统马克尔逊干涉型长波红外成像光谱仪结构复杂、稳定性不足的问题，提供一种能够同时获取目标的实时光谱信息和空间位置信息，具有结构简单，稳定性好、光谱分辨率高的特点的基于平面反射光栅的长波红外成像光谱仪光学系统。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
提供一种基于平面反射光栅的长波红外成像光谱仪光学系统，由物方至像方的光轴方向上，该光学系统依次包括前组望远物镜组、狭缝和准直物镜组；狭缝位于前组望远物镜组的成像位置；准直物镜组将透过狭缝的光束准直成平行光；
该光学系统还包括：
平面衍射光栅，经准直后的平行光入射在其上并发生衍射，不同波长的光因衍射角不同而色散分光；
后组成像物镜组，将经平面衍射光栅色散的衍射光按波长成像到红外探测器焦平面上。
接上述技术方案，该光学系统还包括两个切换反射镜，其中一个置于准直物镜组和平面衍射光栅之间，另一个置于平面衍射光栅和后组成像物镜组之间；当两个切换反射镜切出光路时，光路为通过平面衍射光栅的光谱成像模式，当两个切换反射镜切入光路时，光路不通过平面衍射光栅，此时为正常成像模式。
接上述技术方案，所述狭缝的长度方向对应空间像方向，宽度方向对应色散方向。
接上述技术方案，所述狭缝的长度l满足8mm≤l≤12.8mm，宽度w满足25μm≤w≤50μm。
接上述技术方案，所述平面衍射光栅为闪耀光栅，刻线密度p满足20lp/mm≤p≤100lp/mm。
接上述技术方案，前组望远物镜组、准直物镜组和后组成像物镜组的透镜为硒化锌、硫化锌和单晶锗材料制成的透镜。
接上述技术方案，前组望远物镜组包括四个位于同一光轴的前组望远物镜，其中：前组望远物镜一为正光焦度的弯月形透镜，凸面朝向物方方向，材料为单晶锗；前组望远物镜二为负光焦度的弯月形透镜，凹面朝向物方方向，材料为硒化锌；前组望远物镜三为负光焦度的弯月形透镜，凸面朝向物方方向，材料为硫化锌；前组望远物镜四为正光焦度的弯月形透镜，凸面朝向物方方向，材料为单晶锗。
接上述技术方案，准直物镜组包括三片位于同一光轴的准直物镜，其中：准直物镜一为正光焦度的弯月形透镜，凸面朝向光栅方向，材料为单晶锗；准直物镜二为负光焦度的弯月形透镜，凸面朝向光栅方向，材料为硒化锌；准直物镜三为正光焦度的弯月形透镜，凸面朝向光栅方向，材料为单晶锗。
接上述技术方案，后组成像物镜组包括六片透镜，其中：后组透镜一为正光焦度的双凸透镜，材料为单晶锗；后组透镜二为负光焦度的弯月形透镜，凹面朝向光栅方向，材料为硒化锌；后组透镜三为正光焦度的弯月形透镜，凹面朝向探测器方向，材料为单晶锗；后组透镜四为正光焦度的弯月形透镜，凹面朝向探测器方向，材料为单晶锗；后组透镜五为正光焦度的双凸透镜，材料为单晶锗；后组透镜六为正光焦度的弯月形透镜，凹面朝向探测器方向，材料为单晶锗。
接上述技术方案，该前组望远物镜组还包括一反射镜，改变前组望远物镜组入射到狭缝的光路方向；后组成像物镜组也包括一反射镜，改变经平面衍射光栅入射到后组成像物镜组上的光路方向。
本发明产生的有益效果是：本发明基于平面反射光栅的长波红外成像光谱仪光学系统通过运用一种工艺成熟易于加工的平面衍射光栅，解决传统马克尔逊干涉型长波红外成像光谱仪结构复杂、稳定性不足的问题。本发明具有光谱分辨率高、色散线性度好、稳定性好等优点，且结构简单、成本低廉、易于实现，能够实际应用于机载、车载等平台。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例基于平面反射光栅的长波红外成像光谱仪光学系统基本示意图；
图2(a)为本发明实施例基于平面反射光栅的长波红外成像光谱仪光学系统的另一种光路布局实施例示意图；
图2(b)为本发明实施例基于平面反射光栅的长波红外成像光谱仪光学系统的第三种光路布局实施例示意图；
图3为本发明实施例长波红外成像光谱仪光学系统在波长14.2μm的传递函数图；
图4为本发明实施例长波红外成像光谱仪光学系统在波长10μm的传递函数图；
图5为本发明实施例长波红外成像光谱仪光学系统在波长7.7μm的传递函数图；
图6为本发明实施例长波红外成像光谱仪光学系统在波长14.2μm的弥散斑；
图7为本发明实施例长波红外成像光谱仪光学系统在波长10μm的弥散斑；
图8为本发明实施例长波红外成像光谱仪光学系统在波长7.7μm的弥散斑；
图中：L1-前组望远物镜组；L2-狭缝；L3-准直物镜组；L4-平面反射光栅；L5-后组成像物镜组。1-前组望远物镜一；2-前组望远物镜二；3-前组望远物镜三；4-前组望远物镜四；5-狭缝；6-准直物镜一；7-准直物镜二；8-准直物镜三；9-平面反射光栅；10-后组透镜一；11-后组透镜二；12-后组透镜三；13-后组透镜四；14-后组透镜五；15-后组透镜六。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：如图1所示，是本发明基于平面反射光栅的长波红外成像光谱仪光学系统的一种基本实施例，其主要包括：前组望远物镜组L1、狭缝L2、准直物镜组L3、平面衍射光栅L4、后组成像物镜组L5。
前组望远物镜组L1将目标辐射能量聚焦并成像于狭缝位置，为了提高像元分辨率，要求前组望远系统具有较大的焦距，同时为了实现前后光学系统光瞳匹配，前组望远系统设计成像方远心光路。前组望远系统的视场与焦距和光谱仪系统保持一致。
前组望远物镜L1包括四个位于同一光轴的前组望远物镜，其中：前组望远物镜1为正光焦度的弯月形透镜，凸面朝向物方方向，材料为单晶锗；前组望远物镜2为负光焦度的弯月形透镜，凹面朝向物方方向，材料为硒化锌；前组望远物镜3为负光焦度的弯月形透镜，凸面朝向物方方向，材料为单晶锗；前组望远物镜4为正光焦度的弯月形透镜，凸面朝向物方方向，材料为单晶锗。
狭缝L2位于前组望远物镜成像位置,将进入光谱仪辐射能量由面阵视场限制为线阵视场用于提高系统光谱分辨率，限制视场，抑制背景杂散光。狭缝的长度方向对应光谱仪空间像方向，大小为12.8mm，对应探测器空间像方向长度。本发明的狭缝L2的长度l满足8mm≤l≤12.8mm，宽度w满足25μm≤w≤50μm。本发明实施例中狭缝L2长度为12.8mm，狭缝宽度为25μm，对应与探测器色散方向，和探测器像元尺寸匹配。
准直物镜组L3将准直成平行光入射到平面光栅上，为物方远心光路，其焦距与后组成像物镜组L5焦距相等，出瞳与后组成像物镜组L5的入瞳相匹配，与平面反射光栅L4、后组成像物镜组L5一起构成光谱仪光栅分光系统。
准直物镜组L3包括三个位于同一光轴的准直物镜，其中：准直物镜6为正光焦度的弯月形透镜，凸面朝向光栅方向，材料为单晶锗；准直物镜7为负光焦度的弯月形透镜，凸面朝向光栅方向，材料为硒化锌；准直物镜8为正光焦度的弯月形透镜，凸面朝向光栅方向，材料为单晶锗；。
平面反射光栅L4使入射在平面光栅上的复色光在其上发生衍射，根据不同波长的光衍射角不同而实现色散分光。为提高光栅衍射效率，通常为平面闪耀光栅。通过平面闪耀光栅分光，能够同时获取目标的实时光谱信息和空间位置信息，具有结构简单，稳定性好、光谱分辨率高的特点。刻线密度p满足20lp/mm≤p≤100lp/mm，光栅常数d满足公式d＝1/p，取闪耀波长λb为10μm，衍射级次k为整数(k＝0，k＝±1，k＝±2，…)，闪耀角θb满足闪耀条件公式2dsinθb＝kλb。入射光和衍射光相对于光栅法线的入射角α与衍射角β满足光栅方程d(sinα+sinβ)＝kλ。该实施例中闪耀光栅的刻线密度为32lp/mm，光栅常数为31.25μm，衍射级次为-1，闪耀波长10μm，闪耀角9.21°,为方便整体布局，光栅倾斜角度设置为9.21°。
后组成像物镜组L5将经平面光栅色散的衍射光按波长成像到红外探测器焦平面上，在探测器上同时获得目标的空间位置信息与实时光谱信息。探测器为集成式640×512长波红外焦平面制冷型探测器组件，后组成像系统采用二次成像设计，整个光学系统出瞳与探测器冷屏重合，达到100％冷光阑效率，提高光谱成像系统灵敏度，减少背景杂散辐射对探测目标的影响。对比传统对光谱仪整机进行制冷来减少背景辐射，采用100％冷光阑设计可以有效减小系统功耗，减小体积，控制成本。
后组成像物镜组L5包括六片透镜，其中：后组透镜10为正光焦度的双凸透镜，材料为单晶锗；后组透镜11为负光焦度的弯月形透镜，凹面朝向光栅方向，材料为硒化锌；后组透镜12为正光焦度的弯月形透镜，凹面朝向探测器方向，材料为单晶锗；后组透镜13为正光焦度的弯月形透镜，凹面朝向探测器方向，材料为单晶锗；后组透镜14为正光焦度的双凸透镜，材料为单晶锗；后组透镜15为正光焦度的弯月形透镜，凹面朝向探测器方向，材料为单晶锗。
光谱仪光学系统工作波段为7.7～14.2μm，满足光谱仪在长波红外波段对特殊气体进行光谱检测要求。
此外，本发明的结构紧凑，易于实现，通过二次成像设计控制前组望远物镜口径，降低加工成本，减少系统体积重量。
图3至图8为本发明基于平面反射光栅的长波红外成像光谱仪光学系统光学成像质量数据图，为本发明长波红外成像光谱仪光学系统在波长14.2μm的传递函数图，其中，图4为本发明长波红外成像光谱仪光学系统在波长10μm的传递函数图，图5为本发明长波红外成像光谱仪光学系统在波长7.7μm的传递函数图，图6为本发明长波红外成像光谱仪光学系统在波长14.2μm的弥散斑，图7为本发明长波红外成像光谱仪光学系统在波长10μm的弥散斑，图8为本发明长波红外成像光谱仪光学系统在波长7.7μm的弥散斑。从图3至图8可以看出本发明的长波红外成像光谱仪光学系统成像质量良好，满足成像质量要求。
实施例2：如图2(a)所示，与实施例1不同的是，在图1所示的光谱仪光路中前组望远物镜组添加一反射镜Ref1，改变前组望远物镜组入射到狭缝的光路方向；后组成像物镜组也添加至少一反射镜(添加Ref2或Ref3，或者同时添加Ref2和Ref3)，改变经平面衍射光栅入射到后组成像物镜组上的光路方向，反射镜的作用是折叠光路，便于系统集成，有利于减少光谱仪整机系统体积。
实施例3：与实施例1不同的是，通过在准直物镜组后面、衍射光栅前面和衍射光栅后、后组成像物镜组前的平行光路中添加两个切换反射镜(如图2虚线所示)，当两个切换反射镜切出光路时，光路为通过平面反射光栅的光谱成像模式，当两个切换反射镜切入光路时，光路不通过平面衍射光栅，此时为正常成像模式。通过控制切换反射镜的切入与切出，可以实现光谱模式和正常成像模式的切换，实现光谱仪光学系统双模式切换。
实施例4：如图2(b)所示，同时添加了实施例2和实施例3中的反射镜和切换反射镜。既改变了光路，减小了光学系统体积，又可以实现光谱仪光学系统双模式切换。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，由物方至像方的光轴方向上，该光学系统依次包括前组望远物镜组（L1）、狭缝（L2）和准直物镜组（L3）；狭缝（L2）位于前组望远物镜组（L1）的成像位置；准直物镜组（L3）将透过狭缝（L2）的光束准直成平行光；
该光学系统还包括：
平面衍射光栅（L4），经准直后的平行光入射在其上并发生衍射，不同波长的光因衍射角不同而色散分光；
后组成像物镜组（L5），将经平面衍射光栅（L4）色散的衍射光按波长成像到红外探测器焦平面上。
2.根据权利要求1所述的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，该光学系统还包括两个切换反射镜，其中一个置于准直物镜组（L3）和平面衍射光栅（L4）之间，另一个置于平面衍射光栅（L4）和后组成像物镜组（L5）之间；当两个切换反射镜切出光路时，光路为通过平面衍射光栅（L4）的光谱成像模式，当两个切换反射镜切入光路时，光路不通过平面衍射光栅（L4），此时为正常成像模式。
3.根据权利要求1所述的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，所述狭缝的长度方向对应空间像方向，宽度方向对应色散方向。
4.根据权利要求1所述的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，所述狭缝（L2）的长度l满足8mm≤l≤12.8mm，宽度w满足25μm≤w≤50μm。
5.根据权利要求1所述的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，所述平面衍射光栅（L4）为闪耀光栅，刻线密度p满足20 lp/mm≤p≤100lp/mm。
6.根据权利要求1所述的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，前组望远物镜组（L1）、准直物镜组（L3）和后组成像物镜组（L5）的透镜为硒化锌、硫化锌和单晶锗材料制成的透镜。
7.根据权利要求1所述的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，前组望远物镜组（L1）包括四个位于同一光轴的前组望远物镜，其中：前组望远物镜一为正光焦度的弯月形透镜，凸面朝向物方方向，材料为单晶锗；前组望远物镜二为负光焦度的弯月形透镜，凹面朝向物方方向，材料为硒化锌；前组望远物镜三为负光焦度的弯月形透镜，凸面朝向物方方向，材料为硫化锌；前组望远物镜四为正光焦度的弯月形透镜，凸面朝向物方方向，材料为单晶锗。
8.根据权利要求1所述的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，准直物镜组（L3）包括三片位于同一光轴的准直物镜，其中：准直物镜一为正光焦度的弯月形透镜，凸面朝向光栅方向，材料为单晶锗；准直物镜二为负光焦度的弯月形透镜，凸面朝向光栅方向，材料为硒化锌；准直物镜三为正光焦度的弯月形透镜，凸面朝向光栅方向，材料为单晶锗。
9.根据权利要求1所述的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，后组成像物镜组（L5）包括六片透镜，其中：后组透镜一为正光焦度的双凸透镜，材料为单晶锗；后组透镜二为负光焦度的弯月形透镜，凹面朝向光栅方向，材料为硒化锌；后组透镜三为正光焦度的弯月形透镜，凹面朝向探测器方向，材料为单晶锗；后组透镜四为正光焦度的弯月形透镜，凹面朝向探测器方向，材料为单晶锗；后组透镜五为正光焦度的双凸透镜，材料为单晶锗；后组透镜六为正光焦度的弯月形透镜，凹面朝向探测器方向，材料为单晶锗。
10.根据权利要求1-9中任一项所述的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，该前组望远物镜组（L1）还包括一反射镜，改变前组望远物镜组（L1）入射到狭缝（L2）的光路方向；后组成像物镜组（L5）也包括一反射镜，改变经平面衍射光栅（L4）入射到后组成像物镜组（L5）上的光路方向。
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