CN113899450B - 一种消热差的中波红外光谱仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种消热差的中波红外光谱仪，解决了现有方法中红外光学系统在常温和低温下无法获得相同成像质量的问题。本发明中包括低温箱体、中波红外窗口和光谱成像系统；中波红外窗口设置在低温箱体下侧壁上；光谱成像系统设置在低温箱体腔内；光谱成像系统包括狭缝、反射镜、透镜组件和探测器光敏面；透镜组件包括依次设置在同一光轴上的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、孔径光阑和色散元件；光束从中波红外窗口入射至狭缝后经反射镜反射进入透镜组件，光束在透镜组件中入射至色散元件后色散并反射回透镜组件，最终入射至探测器光敏面。本发明实现了红外光学系统在常温下与低温下具有相同的成像质量。

Description

一种消热差的中波红外光谱仪

技术领域

本发明涉及红外光谱探测领域，具体涉及一种消热差的中波红外光谱仪。

背景技术

由于在中波红外波段，有温度的物体均会产生自发辐射，即光机系统本身会产生很强的背景辐射，并被探测器所接收，从而降低仪器的探测能力，严重时这种背景辐射会使得目标的信号完全被淹没，因此，必须要对背景辐射进行抑制。由于红外辐射会随着温度的降低而减弱，通常情况下会对中波光谱仪的光学系统进行制冷，以抑制其背景辐射。

由于光学元件的折射率、厚度、空气间隔等参数在常温与低温的数值不同，会导致光学系统在常温与低温有不同的光学性能，且由于光学系统的装配无法在低温下进行，从而导致在常温下依据成像质量装调出的光学系统无法在低温下工作。

发明内容

为了解决现有放入中波红外光谱仪在常温下依据成像质量装调出的光学系统在低温下无法工作的问题，本发明提供一种消热差的中波红外光谱仪。

本发明的具体技术方案：

一种消热差的中波红外光谱仪，其特殊之处在于：

包括低温箱体、中波红外窗口和光谱成像系统；

所述中波红外窗口设置在低温箱体侧壁上；

所述光谱成像系统设置在低温箱体腔内；

所述光谱成像系统包括狭缝、反射镜、透镜组件和探测器光敏面；

所述透镜组件包括依次设置在同一光轴上的第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、孔径光阑和色散元件；所述孔径光阑设置在色散元件的前表面上；

光束通过中波红外窗口进入狭缝后到达反射镜，光束经反射镜反射后进入透镜组件并抵达色散元件表面，光束经过色散元件色散并反射逆向穿过透镜组件且最终到达探测器光敏面；

所述中波红外窗口为CaF₂材质，所述反射镜为石英材质，所述第一透镜、第二透镜和第四透镜均为锗单晶材质，所述第三透镜为硅单晶材质。

进一步地，所述中波红外窗口在光波波长为4μm时光焦度为0；

所述反射镜光波波长为4μm时光焦度为0；

所述第一透镜光波波长为4μm时光焦度为0.0084—0.0086mm^-1；

所述第二透镜光波波长为4μm时光焦度为-0.0207—-0.0216mm^-1；

所述第三透镜光波波长为4μm时光焦度为0.011—0.0112mm^-1；

所述第四透镜光波波长为4μm时光焦度为0.0012—0.0016mm^-1；

所述色散元件光波波长为4μm时光焦度为0。

进一步地，所述所述第一透镜光波波长为4μm时光焦度为0.0086mm^-1；

所述第二透镜光波波长为4μm时光焦度为-0.0212mm^-1；

所述第三透镜光波波长为4μm时光焦度为0.0112mm^-1；

所述第四透镜光波波长为4μm时光焦度为0.0014mm^-1。

进一步地，所述中波红外窗口内表面距离反射镜反射面中心点81—100mm；

所述反射镜反射面的中心点距离第一透镜前表面70—80mm；

所述第一透镜后表面距离第二透镜前表面80—87mm；

所述第二透镜后表面距离第三透镜前表面0.9—1.8mm；

所述第三透镜后表面距离第四透镜前表面10.5—11.9mm；

所述第四透镜后表面距离色散元件前表面7—8.5mm。

进一步地，所述中波红外窗口内表面距离反射镜反射面中心点90mm；

所述反射镜反射面中心点距离第一透镜前表面74.43mm；

所述第一透镜后表面距离第二透镜前表面84.46mm；

所述第二透镜后表面距离第三透镜前表面1.44mm；

所述第三透镜后表面距离第四透镜前表面11.21mm；

所述第四透镜后表面距离色散元件前表面8mm。

进一步地，所述第一透镜为双凸正透镜，第二透镜为弯月负透镜，第三透镜和第四透镜均为弯月正透镜。

进一步地，所述色散元件为平面光栅，所述平面光栅的光栅基底为石英材质。

进一步地，所述反射镜的反射面与光轴成45°角。

本发明的有益效果为：

1、本发明中各个透镜以及平面光栅相互配合构成了相应的透镜组件，并通过透镜材料和光焦度的匹配，实现了在常温以及低温环境中的消热差效果，实现了在常温下依据成像质量进行装调后，能够直接在低温中工作的优点。

2、本发明采用了光束可在透镜组件中来回穿行的光路复用结构，实现了对光束成像的强化，使得中波红外光谱仪成像质量好且结构紧凑。

附图说明

图1为本实施例的一种消热差的中波红外光谱仪的光路图；

图2为本实施例在常温293K，3μm波段下的设计调制传递函数；

图3为本实施例在常温293K，4μm波段下的设计调制传递函数；

图4为本实施例在常温293K，5μm波段下的设计调制传递函数；

图5为本实施例在低温160K，3μm波段下的设计调制传递函数；

图6为本实施例在低温160K，4μm波段下的设计调制传递函数；

图7为本实施例在低温160K，5μm波段下的设计调制传递函数。

图1的附图标记如下：

1-低温箱体、2-中波红外窗口、3-狭缝、4-反射镜、5-第一透镜、6-第二透镜、7-第三透镜、8-第四透镜、9-孔径光阑、10-色散元件、11-探测器光敏面。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步地详细说明。

本发明提供一种消热差的中波红外光谱仪，通过透镜的光焦度与材料的匹配可实现消热差，本发明中波红外光谱仪为物方远心、像方远心的有限共轭距成像系统，其近轴放大率为-1。

如图1所示，本实施例提供的一种消热差的中波红外光谱仪，采用光路复用结构，包括低温箱体1、中波红外窗口2和光谱成像系统；中波红外窗口2设置在低温箱体1侧壁上；光谱成像系统设置在低温箱体1腔内。

光谱成像系统包括狭缝3、反射镜4、透镜组件和探测器光敏面11；透镜组件包括依次设置在同一光轴上的第一透镜5、第二透镜6、第三透镜7、第四透镜8、孔径光阑9和色散元件10，其中孔径光阑9位于色散元件10的前表面上，色散元件10为平面光栅。

光束起始于低温箱体1外，穿过中波红外窗口2后进入狭缝3，通光狭缝3后经过反射镜4反射，光束入射至透镜组件中。在透镜组件中，光束经过平面光栅色散并反射，逆向穿过透镜组件，最终入射到探测器光敏面11上。

本实施例中，中波红外窗口2为平面型，由CaF₂制作而成，光波波长为4μm时光焦度为0，中波红外窗口2内表面距离反射镜4反射面中心点81—100mm(本实施例中优选的中波红外窗口2内表面距离反射镜4反射面中心点90mm)。

反射镜4为平面型，由石英制作而成，光波波长为4μm时光焦度为0，反射镜4反射面的中心点距离第一透镜5前表面70—80mm(本实施例中优选的反射镜4反射面中心点距离第一透镜5前表面74.43mm)。

第一透镜5为球面型双凸正透镜，由锗单晶制作而成，光波波长为4μm时光焦度为0.0084—0.0086mm^-1(本实施例中优选的第一透镜5光波波长为4μm时光焦度为50.0086mm^-1)，第一透镜5后表面距离第二透镜6前表面80—87mm(本实施例中优选的第一透镜5后表面距离第二透镜6前表面84.46mm)。

第二透镜6为球面型弯月负透镜，由锗单晶制作而成，光波波长为4μm时光焦度为-0.0207—-0.0216mm^-1(本实施例中优选的第二透镜6光波波长为4μm时光焦度为-0.0212mm^-1)，第二透镜6后表面距离第三透镜7前表面0.9—1.8mm(本实施例中优选的第二透镜6后表面距离第三透镜7前表面1.44mm)。

第三透镜7为球面型弯月正透镜，由硅单晶制作而成，光波波长为4μm时光焦度为0.011—0.0112mm^-1(本实施例中优选的第三透镜7光波波长为4μm时光焦度为0.0112mm^-1)，第三透镜7后表面距离第四透镜8前表面10.5—11.9mm(本实施例中优选的第三透镜7后表面距离第四透镜8前表面11.21mm)。

第四透镜8为球面型弯月正透镜，由锗单晶制作而成，光波波长为4μm时光焦度为0.0012—0.0016mm^-1(本实施例中优选的第四透镜8光波波长为4μm时光焦度为0.0014mm^-1)，第四透镜8后表面距离色散元件10前表面7—8.5mm(本实施例中优选的第四透镜8后表面距离色散元件10前表面8mm)。

色散元件10为平面光栅，光波波长为4μm时光焦度为0，且平面光栅的光栅基底为石英材料，即为平面闪耀光栅，闪耀级次为-1级。

本实施例中光谱范围为3μm-5μm，视场大小为91.44mm×7.5mm，光谱分辨率为40nm/像元，低温箱体1内的工作温度为160K。

其工作原理具体为：

成像光线通过中波红外窗口2后入射至狭缝3，经反射镜4反射后，入射至透镜组件，在透镜组件中，光束依次穿过第一透镜5、第二透镜6、第三透镜7、第四透镜8、孔径光阑9，到达色散元件10，由于色散元件10为平面光栅，光线入射至平面光栅后会发生衍射，光线经过光栅衍射后，不同波段的衍射光线从平面光栅表面反射，再次反向通过透镜组件，最终入射到探测器光敏面11，探测器接收到狭缝3目标的不同波段的光谱信息后进行分析。

当低温箱体1内温度由293K降至160K时，需沿光轴方向适用性的平移探测器光敏面11的位置，从而调节中波红外光谱仪在低温下能够完善成像。

常温293K在3μm波段下的设计调制传递函数如图2所示，常温293K在4μm波段下的设计调制传递函数如图3所示，常温293K在5μm波段下的设计调制传递函数如图4所示，低温160K在3μm波段下的设计调制传递函数如图5所示，低温160K在4μm波段下的设计调制传递函数如图6所示，低温160K在5μm波段下的设计调制传递函数如图7所示，可以看出，在常温293K及低温160K两个工作温度点，所有视场的调制传递函数均接近衍射极限，实现消热差。

综上，本发明实现了对中波红外光谱仪的消热差设计，采用本发明的实施方式，可实现常温与低温两个温度点下均具有相同的成像质量，可实现常温下依据成像质量进行装调、低温下工作，为红外冷光学装调提供了一种新的方法。

Claims (7)

1.一种消热差的中波红外光谱仪，其特征在于：

包括低温箱体(1)、中波红外窗口(2)和光谱成像系统；

所述中波红外窗口(2)设置在低温箱体(1)侧壁上；

所述光谱成像系统设置在低温箱体(1)腔内；

所述光谱成像系统包括狭缝(3)、反射镜(4)、透镜组件和探测器光敏面(11)；

所述透镜组件包括依次设置在同一光轴上的第一透镜(5)、第二透镜(6)、第三透镜(7)、第四透镜(8)、孔径光阑(9)和色散元件(10)；所述孔径光阑(9)设置在色散元件(10)的前表面上；

光束通过中波红外窗口(2)进入狭缝(3)后到达反射镜(4)，光束经反射镜(4)反射后进入透镜组件并抵达色散元件(10)表面，光束经过色散元件(10)色散并反射逆向穿过透镜组件且最终到达探测器光敏面(11)；

所述中波红外窗口(2)为CaF₂材质，所述反射镜(4)为石英材质，所述第一透镜(5)、第二透镜(6)和第四透镜(8)均为锗单晶材质，所述第三透镜(7)为硅单晶材质；

所述中波红外窗口(1)在光波波长为4μm时光焦度为0；

所述反射镜(4)光波波长为4μm时光焦度为0；

所述第一透镜(5)光波波长为4μm时光焦度为0.0084—0.0086mm^-1；

所述第二透镜(6)光波波长为4μm时光焦度为-0.0207—-0.0216mm^-1；

所述第三透镜(7)光波波长为4μm时光焦度为0.011—0.0112mm^-1；

所述第四透镜(8)光波波长为4μm时光焦度为0.0012—0.0016mm^-1；

所述色散元件(10)光波波长为4μm时光焦度为0。

2.根据权利要求1所述的一种消热差的中波红外光谱仪，其特征在于

所述第一透镜(5)光波波长为4μm时光焦度为0.0086mm^-1；

所述第二透镜(6)光波波长为4μm时光焦度为-0.0212mm^-1；

所述第三透镜(7)光波波长为4μm时光焦度为0.0112mm^-1；

所述第四透镜(8)光波波长为4μm时光焦度为0.0014mm^-1。

3.根据权利要求1所述的一种消热差的中波红外光谱仪，其特征在于：

所述中波红外窗口(2)内表面距离反射镜(4)反射面中心点81—100mm；

所述反射镜(4)反射面的中心点距离第一透镜(5)前表面70—80mm；

所述第一透镜(5)后表面距离第二透镜(6)前表面80—87mm；

所述第二透镜(6)后表面距离第三透镜(7)前表面0.9—1.8mm；

所述第三透镜(7)后表面距离第四透镜(8)前表面10.5—11.9mm；

所述第四透镜(8)后表面距离色散元件(10)前表面7—8.5mm。

4.根据权利要求3所述的一种消热差的中波红外光谱仪，其特征在于：

所述中波红外窗口(2)内表面距离反射镜(4)反射面中心点90mm；

所述反射镜(4)反射面中心点距离第一透镜(5)前表面74.43mm；

所述第一透镜(5)后表面距离第二透镜(6)前表面84.46mm；

所述第二透镜(6)后表面距离第三透镜(7)前表面1.44mm；

所述第三透镜(7)后表面距离第四透镜(8)前表面11.21mm；

所述第四透镜(8)后表面距离色散元件(10)前表面8mm。

5.根据权利要求1-4任一所述的一种消热差的中波红外光谱仪，其特征在于：所述第一透镜(5)为双凸正透镜，第二透镜(6)为弯月负透镜，第三透镜(7)和第四透镜(8)均为弯月正透镜。

6.根据权利要求5所述的一种消热差的中波红外光谱仪，其特征在于：所述色散元件(10)为平面光栅，所述平面光栅的光栅基底为石英材质。

7.根据权利要求6所述的一种消热差的中波红外光谱仪，其特征在于：所述反射镜(4)的反射面与光轴成45°角。

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