CN205037971U - 一种长波成像光谱仪低温模型 - Google Patents

Abstract

本专利公开了一种长波成像光谱仪低温模型，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。本专利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

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长波红外成像光谱仪的低温模型。

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，本专利的目的是建立一种长波成像光谱仪低温模型。

本专利的模型如图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。

本专利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 (6)

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。

2.根据权利要求1所述的一种长波成像光谱仪低温模型，其特征在于：

所述的望远成像镜(1)为透射镜头，常温下使用，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；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。

3.根据权利要求1所述的一种长波成像光谱仪低温模型，其特征在于：

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平面组件(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。

4.根据权利要求1所述的一种长波成像光谱仪低温模型，其特征在于：

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。

5.根据权利要求1所述的一种长波成像光谱仪低温模型，其特征在于：

所述的焦平面组件(4)本身制冷到60K以下，它包括滤光片(4-1)、冷屏(4-2)、光敏面(4-3)和制冷机，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。

6.根据权利要求1所述的一种长波成像光谱仪低温模型，其特征在于：

所述的冷箱内的光谱仪(3)和焦平面组件(4)之间有一个柔性连接件。