CN115950533A - 一种经济型红外光谱模块及其装调方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种经济型红外光谱模块及其装调方法，由视场光阑组件、第一校正镜组件、第一反射镜组件、光栅组件、第二反射镜组件、第二校正镜组件和光谱仪框架组成，各组件包括光学镜片和镜室结构件。辐射经过视场光阑1编码，依次经过镜子组件的折射、反射或衍射，形成空间和光谱混叠的信息像面。光谱模块各光机组件关于中心光轴高度对称，采用编码的视场光阑组件，在光谱模块后方可以接出瞳转化镜组和红外面阵探测器，或直接加探测器完成信息接收，实现红外视频计算光谱。本发明中的光谱模块，可在中波或长波谱段，常温或轻低温下，实现面视场视频高光谱，光机组件对称度高，成本低，易装调，研制周期短。

Description

一种经济型红外光谱模块及其装调方法

技术领域

本发明涉及遥感探测领域中的光谱技术，具体是指一种具有面视场视频光谱获取功能的红外高光谱模块。

背景技术

色散型光谱仪与前方的望远物镜相配合，其视场光阑通常为一条狭缝，通过平台的推扫对探测目标实现二维几何形貌与光谱信息的获取，形成三维数据立方体，应用于航天航空对地观测、深空探测等诸多领域，但这种体制不太适用于对动态场景的探测。

常用的色散体制的光谱仪光学结构有OFFNER凸面光栅型、DYSON凹面光栅型以及RT平面光栅型等。不同结构各有长处与不足，其中OFFNER型结构最为常用，但其体积不够紧凑导致光栅刻线过于稀疏，不利于光栅研制。因此出现了改进型结构，即在入射端和出射端加入了校正透镜。该结构在可见短波应用比较多，且光谱仪中的校正镜、反射镜和光栅光学元件为准同心结构，此外，光谱仪中的校正镜往往采用了同一个大口径的母镜，如此对光学加工成本和装调难度而言，都有所增加。

此外，红外波段的色散型光谱仪由于背景辐射严重，需要对光谱仪本身进行低温制冷，抑制红外背景辐射，以增大探测器积分时间，才能对探测目标实现空间-光谱信息的获取。低温制冷会增大仪器体积、重量和功耗需求。

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，本发明的目的是设计一种经济型红外光谱模块及其装调方案，在传统光谱仪具备空间分辨率、辐射分辨率、光谱分辨率的情况下，加入时间分辨率，具有视频光谱功能；在常用OFFNER改进结构中，控制元件曲率半径和间隔，将母镜设计为两个对称的子镜，使系统完全同心和高度对称，降低研制成本和装调难度；通过编码面视场光阑，在同等背景辐射下，加大目标辐射的输入，在常温或轻低温下实现红外视频光谱数据的获取。

所述的经济型红外光谱模块，由视场光阑组件1、第一校正镜组件2、第一反射镜组件3、光栅组件4、第二反射镜组件5、第二校正镜组件6和光谱模块框架7组成，各组件包括光学镜片和镜室结构件。辐射经过视场光阑1编码，依次经组件2至6的折射、反射或衍射，形成空间和光谱混叠的信息像面，实现视频计算光谱。

光谱模块各光学元件完全同心高度对称。光学设计上，其前后校正透镜、两片反射镜与曲面光栅，所有光学面完全同心。视场光阑组件1与像面轴向位置相同，其与曲面光栅的轴向距离和校正透镜前表面的曲率半径相同；前后校正透镜的母镜的参数和位置完全相同，相当于共一个母镜，母镜是一个前后表面同心的球罩；两个反射镜的母镜的参数和位置完全相同，也相当于共一个母镜。本发明在结构设计上，对母镜进行裁剪，将校正透镜裁剪成两片口径和厚度完全相同的子镜，对称或接近对称居于光轴两侧；将反射镜裁剪成两片口径和厚度完全相同的子镜，对称居于光轴两侧。

视场光阑组件1由光学元件、镜室和精密微位移机构组成，其光学元件是一个基片为红外玻璃的薄片，前表面镀增透膜层，后表面镀编码膜层，编码为二维图样，明条纹处镀增透膜，暗条纹处镀高反膜。

光栅为凸面光栅，其光学表面与校正透镜的后表面曲率相同且轴向位置相同，其背面设计有辅助装调球面，后表面与光栅前表面、校正透镜、反射镜同心，光栅中心厚度为其前后表面的曲率半径差值。光栅基底为光学铝材，表面也可以进行镍合金改性，通过高精度车削加工栅槽，再抛光毛刺降低杂散光。

包括校正透镜、反射镜和光栅在内的光学元件，均设计有镜室，镜室上设计有粘镜片的点胶孔、与光谱模块框架相连接的安装法兰以及与外在精调机构相连的孔位。

所述的一种经济型红外光谱模块的装调方法如下：

1).以光谱仪框架7的结构面作为基准，用三坐标分别安装光谱仪光学件同心点辅助孔、视场光阑组件1的辅助光阑组件、第一校正镜组件2、第一反射镜组件3、第二反射镜组件5、第二校正镜组件6到光谱仪框架7上；2).干涉仪监控精确调整第一校正镜组件2和第二校正镜组件6位置姿态并固定，使两者同心；3).干涉仪监控精确调整第一反射镜组件3和第二反射镜组件5位置姿态并固定，使两者同心，且与校正镜组同心；4).用三坐标安装光栅组件4到光谱仪框架7上，干涉仪监控精确调整光栅组件4位置姿态并固定，使其与校正透镜和反射镜同心；5).硅碳棒光源照射辅助光阑组件，用常温红外面阵探测器接收谱面，精确微量调整光栅旋转；6).把辅助光阑组件切换成视场光阑组件1。

本发明组件的优点：光谱模块的视场组件由一维狭缝变为二维编码组件，在同等背景辐射下，加大了目标辐射的输入，有望在常温或轻低温下实现红外视频光谱数据的获取；校正透镜前后表面、反射镜、光栅完全同心，大口径母镜简化为两个对称的小口径子镜，加工成本低，系统完全同心和高度对称，装调简单，研制成本低。本发明中的光谱模块，可在中波或长波谱段，无需深低温制冷，可实现面视场视频高光谱，在传统光谱仪具备空间分辨率、辐射分辨率、光谱分辨率的情况下，加入时间分辨率，具有视频光谱功能，可应用于动态场景光谱监测，是一种经济型红外光谱模块。

附图说明

图1为经济型红外光谱模块示意图，

图中：

1为视场光阑组件；

2为第一校正镜组件；

3为第一反射镜组件；

4为光栅组件；

5为第二反射镜组件；

6为第二校正镜组件；

7为光谱模块框架。

图2为光栅组件4辅助装调设计示意图，

4-1为光栅光学面；

4-2为光栅背面；

4-3为光栅镜室；

4-4为光栅镜室安装法兰；。

图3为干涉装调示意图，

8为干涉仪；

9为干涉仪猫眼；

10为光谱模块。

图4为面阵视场、色散在探测器上使用区域示意图。

具体实施方式

假设长波红外视频光谱仪工作谱段8-12.5μm，系统F数为2，前置物镜焦距250mm，空间维视场为3.4°，光谱维的空间视场为1.7°，光谱采样45nm，视频10Hz。计算得：面阵视场为15.36mm×7.68mm，即512元×256元，光谱色散100元，实际需求512元×356元探测器，因此可采用640元×512元制冷型探测器，实际使用512元×356元。根据图1示意图，设计了一种经济型红外光谱仪，设计结果列于表1。

表1红外光谱模块的参数

光谱仪设计结果：光学传函接近衍射极限，代表视场与光谱相关畸变smile与keystone均小于3微米。面阵视场、色散与探测器使用如图4所示。光谱仪共有三种光学镜片，校正镜、反射镜与光栅，裁剪后的校正透镜子镜和反射镜子镜口径不大，且两片校正透镜相同，两片反射镜也相同。生产经济成本和装调人力成本低。光学元件均设计了镜室，镜室上设计了点胶孔以及安装法兰，镜组装配之后，通过安装法兰安装至光谱仪框架。曲面光栅辅助装调设计如图2所示。通过三坐标初装各组件，再通过干涉仪精调各组件，干涉装调如图3所示。再通过硅碳棒光源、辅助光阑组件和常温红外面阵探测器，精确微量调整光栅旋转，最终把辅助光阑组件切换成视场光阑组件1，装调完毕。

Claims (3)

1.一种经济型红外光谱模块，包括视场光阑组件(1)、第一校正镜组件(2)、第一反射镜组件(3)、光栅组件(4)、第二反射镜组件(5)、第二校正镜组件(6)和光谱模块框架(7)，其特征在于：

所述的经济型红外光谱模块各组件包括光学镜片和镜室结构件；

结构上，光谱模块各光机组件关于中心光轴对称，视场光阑组件(1)与像面轴向位置相同，其与曲面光栅的轴向距离和校正透镜前表面的曲率半径相同，即物距和像距均与校正透镜前表面曲率相等；前后校正透镜的母镜的参数和位置完全相同，共一个母镜，母镜是一个前后表面同心的球罩，对母镜进行裁剪，将校正透镜裁剪成两片口径和厚度完全相同的子镜，对称或接近对称居于光轴两侧；两个反射镜的母镜的参数和位置完全相同，也共一个母镜，对母镜进行裁剪，将校正透镜裁剪成两片口径和厚度完全相同的子镜，对称或接近对称居于光轴两侧；

辐射经过视场光阑(1)编码，依次经过第一校正镜组件(2)、第一反射镜组件(3)、光栅组件(4)、第二反射镜组件(5)及第二校正镜组件(6)的折射、反射或衍射，形成空间和光谱混叠的信息像面，常温或轻低温下实现红外视频计算光谱的数据获取。

2.根据权利要求1所述的一种经济型红外光谱模块，其特征在于：

所述的光栅组件(4)中的光栅光学表面与第二校正镜组件(6)中校正透镜的后表面曲率相同且轴向位置相同，其背面设计有辅助装调球面，该面与光栅前表面同心，光栅中心厚度为其前后表面的曲率半径差值。

3.一种经济型红外光谱模块的装调方法，其特征在于装调方法步骤如下：

1).以框架结构面作为基准，用三坐标分别安装光谱仪光学件同心点辅助孔、视场光阑组件(1)的辅助光阑组件、第一校正镜组件(2)、第一反射镜组件(3)、第二反射镜组件(5)、第二校正镜组件(6)到光谱模块框架(7)上；

2).干涉仪监控精确调整第一校正镜组件(2)和第二校正镜组件(6)位置姿态并固定，使两者同心；

3).干涉仪监控精确调整第一反射镜组件(3)和第二反射镜组件(5)位置姿态并固定，使两者同心，且与校正镜组同心；

4).用三坐标安装光栅组件(4)到光谱模块框架(7)上，干涉仪监控精确调整光栅组件(4)位置姿态并固定，使其与校正透镜和反射镜同心；

5).硅碳棒光源照射辅助光阑组件，用常温红外面阵探测器接收谱面，精确微量调整光栅旋转；

6).把辅助光阑组件切换成视场光阑组件(1)。

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