CN211824764U

CN211824764U - 中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置

Info

Publication number: CN211824764U
Application number: CN202020419268.XU
Authority: CN
Inventors: 朱晓晓; 朱嘉诚; 沈为民
Original assignee: Suzhou University
Current assignee: Suzhou University
Priority date: 2020-03-27
Filing date: 2020-03-27
Publication date: 2020-10-30
Anticipated expiration: 2030-03-27

Abstract

本实用新型公开了一种中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，主要用于探测高温事件，系统包括第一凹面反射镜、凸面反射镜、第二凹面反射镜、空气狭缝、凹球面反射镜、凸球面光栅和非制冷探测器；凸球面光栅为双闪耀光栅；中长波红外光束平行入射至第一凹面反射镜上，依次经过第一凹面反射镜、凸面反射镜和第二凹面反射镜的反射进入空气狭缝，之后经凹球面反射镜的第一次反射后会聚至凸球面光栅并分光，获得发散光束，发散光束返回至凹球面反射镜并经凹球面反射镜第二次反射，成像于焦平面上，非制冷探测器设置在焦平面上，光谱仪结构紧凑、成本低，目标信号能够被有效提取。

Description

中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置

技术领域

本实用新型涉及热红外光谱成像技术领域，具体涉及一种中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置。

背景技术

目前用于探测高温事件的遥感系统基本依赖于测量地表温度的传感器，这些传感器在远低于火灾最高燃烧温度下就会饱和，或者空间分辨率不能满足高温探测的需要，且它们多为制冷型的，在体积、重量、能耗上都远远比不上非制冷型系统。

传统色散型成像光谱仪结构形式主要有：平面光栅C-T型，凸面光栅Offner型、凹面光栅Dyson型等。较平面光栅C-T型，Dyson型和Offner型光谱仪因是同心结构，具有谱面弯曲和色畸变小的特点。但Dyson型成像光谱仪，成像质量通常受温度影响较大，需要严格的温控设备来保证它的像质稳定。Offner型分光装置是基于凸面光栅的典型分光装置，由offner中继系统发展而来。Offner中继系统是由A.Offner在1973年提出，该成像系统是一种同心全反射式光学系统，结构简单、紧凑，由于具有对称性的特点，可自动消除畸变，并且光学加工容易。Offner型分光装置，继承了Offner中继系统的像差小、结构简单、紧凑等特点，具有成像质量好、相对孔径大、谱面弯曲和色畸变小、易于装调等优点，并且对温控设备要求不高。

应用于空间光学领域的成像光谱仪一般对仪器的重量、体积等要求较高，过大的体积和重量会增加仪器的制造和发射成本。基于双闪耀光栅在宽光谱范围衍射效率均高的特点，中、长波红外共用同一衍射级次代替现有工作于双衍射级次的光谱仪系统，大大降低消除叠级光谱的难度；这些都对中长波红外成像光谱仪的设计提出了更高的要求，要求其能克服非制冷环境下严重的杂散辐射，在较大的光谱范围内保持良好的像质。

现有文献所报道的热红外成像光谱仪中，大相对孔径、适用于非制冷、中长波红外波段、工作于同一衍射级次通常无法同时满足。参见文献“大视场小F数同轴Offner结构热红外光谱仪的设计”([J].红外技术(7期):537-541)和不同光栅常数下同心长波红外成像光谱仪对比([J].红外与激光工程,2016,45(7):148-153)，报道了工作于大相对孔径的凸面光栅Offner型成像光谱仪，只适用于长波红外波段。文献“Offner型消热差中波红外成像光谱仪设计”([J].红外与激光工程(11):95-101)中的凸面光栅Offner型成像光谱仪只工作于中波红外波段。这些只工作于中波红外或长波红外的高光谱成像仪都无法满足人们越来越广泛的应用需求。文献“中/长波红外双衍射级次共路Offner成像光谱仪”([J].光学精密工程,2015(04):965-974)中的Offner成像光谱仪可工作在3～12um的中长波红外波段，其使用光栅的两个衍射级次，衍射效率不能满足在两个波段的需求，效率低，且一级、二级光谱完全重叠，难以消除，影响探测。

综上所示，现有技术中的成像光谱仪主要为制冷型的，并且存在在宽光谱范围无法实现平滑均匀的光栅衍射效率，导致成像质量不佳等技术问题。制冷型成像光谱仪通过整机制冷或局部制冷的方式减小辐出度，从而抑制仪器自身热辐射，但其引入额外的制冷设备导致成本高、质量大。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，其适用于探测高温事件，结构紧凑，谱面弯曲和色畸变小，相对孔径大，成像光谱仪集光能力强，成像质量好，并具有非制冷特点。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，包括第一凹面反射镜、凸面反射镜、第二凹面反射镜、空气狭缝、凹球面反射镜、凸球面光栅和非制冷探测器；

所述凸球面光栅为双闪耀光栅，其能够在中波红外波段和长波红外波段分别闪耀；

所述凹球面反射镜和凸球面光栅同光轴，所述空气狭缝和非制冷探测器偏离光轴；

中长波红外光束平行入射至所述第一凹面反射镜上，依次经过第一凹面反射镜、凸面反射镜和第二凹面反射镜的反射进入空气狭缝，之后经凹球面反射镜的第一次反射后会聚至凸球面光栅并分光，获得发散光束，所述发散光束返回至所述凹球面反射镜并经凹球面反射镜第二次反射，成像于焦平面上，所述非制冷探测器设置在焦平面上。

作为优选的，所述第一凹面反射镜、凸面反射镜、第二凹面反射镜、凹球面反射镜和凸球面光栅的材料相同。

作为优选的，所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜的轴向距离不超过2mm。

作为优选的，所述凸球面光栅为直线槽刻划光栅或曲线槽全息光栅。

作为优选的，所述成像光谱仪系统F数范围为1.5～10。

作为优选的，所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜为二次非球面。

作为优选的，所述凹球面反射镜与凸球面光栅的曲率半径之比为1.8：1～2.5：1。

作为优选的，所述空气狭缝和焦平面的轴向距离不超过5mm。

作为优选的，所述成像光谱仪无中心遮拦。

作为优选的，还包括固定光学元件的机械结构件，所述光学元件包括第一凹面反射镜、凸面反射镜、第二凹面反射镜、空气狭缝、凹球面反射镜和凸球面光栅，所述机械结构件与光学元件的材料相同。

作为优选的，所述机械结构件的表面镀金。

作为优选的，还包括反射型遮光罩，所述反射型遮光罩为Stavroudis型遮光罩，所述反射型遮光罩位于第一凹面反射镜的物空间以抑制视场外杂散光。

本实用新型还公开了一种中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置的探测方法，在所述空气狭缝处安装快门，所述探测方法包括以下步骤：

S1、关闭快门，所述非制冷探测器获取第一暗测量信号

S2、打开快门，所述非制冷探测器获取亮测量信号

S3、再次关闭快门，获取第二暗测量信号

S4、通过对第一暗测量

和第二暗测量

进行时间线性插值，计算亮测量

包含的噪声信号，并将噪声信号从亮测量

中扣除，获得目标信号，所述目标信号

本实用新型的高光谱成像仪有益效果：

1、本实用新型设置有第一凹面反射镜、凸面反射镜和第二凹面反射镜，通过该离轴三反望远系统避免引入色差，成像质量好。

2、本实用新型采用中长波红外共光路设计，实现结构简化，基于双闪耀光栅，中、长波红外共用同一衍射级次代替现有工作于双衍射级次的宽光谱系统，大大降低消除叠级光谱的难度。

3、本实用新型采用全反射式结构，受温度影响较小，无需引入其它制冷设备，成本低，质量小。

4、本实用新型采用基于Offner型同心结构的分光装置，结构紧凑，谱面弯曲和色畸变小，并大大提高成像光谱仪的相对孔径大，成像光谱仪集光能力强，具有高信噪比，拍摄的光谱图像噪声小，对比度高。

5、本实用新型空气狭缝和非制冷探测器偏离光轴，实现成像光谱仪的无中心遮拦。

6、本实用新型提供的成像光谱仪光谱范围宽，涉及更广的应用领域，能获取更多的遥感信息。

附图说明

图1为本实用新型的光谱仪的光路主视图；

图2为本实用新型光谱仪0.7视场处光路俯视图；

图3为本实用新型光学系统中心波长的MTF曲线；

图4为本实用新型光学系统中心波长的光线追迹点列图；

图5为本实用新型光学系统中心波长的单个像元内能量集中度曲线；

图6为本实用新型探测方法中关闭快门，非制冷探测器的探测面照度图；

图7为本实用新型探测方法中打开快门，非制冷探测器的探测面照度图；

图8为本实用新型目标信号最终计算结果示意图。

图中标号说明：1、平行光线；2、第一凹面反射镜；3、凸面反射镜；4、第二凹面反射镜；5、空气狭缝；6、凹球面反射镜；7、凸球面光栅；8、焦平面；9、光轴。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本实用新型并能予以实施，但所举实施例不作为对本实用新型的限定。

参照图1所示，本实用新型公开了一种中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，包括第一凹面反射镜2、凸面反射镜3、第二凹面反射镜4、空气狭缝5、凹球面反射镜6、凸球面光栅7和非制冷探测器。凸球面光栅7为双闪耀光栅，其能够在中波红外波段和长波红外波段分别闪耀。如此，中波红外波段和长波红外波段利用双闪耀光栅同一级次的衍射光，衍射效率在中波和长波红外范围内优良且均匀，克服了传统光栅衍射效率不均匀分布的缺陷。

本实用新型还包括固定光学元件的机械结构件，光学元件包括第一凹面反射镜、凸面反射镜、第二凹面反射镜、空气狭缝、凹球面反射镜和凸球面光栅，机械结构件与光学元件的材料相同，即光、机结构的材料相同，如使用铝。如此，具有质量轻，易加工的特点，能避免机械与光学元件的热膨胀差异而产生热变形，如此，满足非制冷要求。

凹球面反射镜6和凸球面光栅7同光轴，空气狭缝5和非制冷探测器偏离光轴9。

中长波红外光束平行入射至第一凹面反射镜2上，之后依次经过第一凹面反射镜2、凸面反射镜3和第二凹面反射镜4的反射进入空气狭缝5，之后经凹球面反射镜6的第一次反射后会聚至凸球面光栅7并分光，获得发散光束，发散光束返回至凹球面反射镜6并经凹球面反射镜6第二次反射，成像于焦平面8上，非制冷探测器设置在焦平面8上。其中，入射在第一凹面反射镜的中长波红外光束为从无穷远处入射的平行光线。

其中，中心波长成像光束入射凸球面光栅中心位置，而凸球面光栅的入射光束和衍射光束所在的平面，与凸球面光栅的主截面所成夹角为α，且0°＜α＜180°。

第一凹面反射镜2、凸面反射镜3、第二凹面反射镜4、凹球面反射镜6和凸球面光栅7的材料相同，可皆使用铝材质。

在本实用新型中，第一凹面反射镜2和第二凹面反射镜3的轴向距离不超过2mm。凸球面光栅7为直线槽刻划光栅或曲线槽全息光栅。成像光谱仪系统F数范围为1.5～10。

第一凹面反射镜2和第二凹面反射镜3为二次非球面。凹球面反射镜与凸球面光栅的曲率半径之比为1.8：1～2.5：1。

空气狭缝5和焦平面8的轴向距离不超过5mm。成像光谱仪无中心遮拦。

在一实施例中，本实用新型中，中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置相关指标如下：

光谱范围：3.5μm～14μm；

系统F数：2；

狭缝长度：17.38mm；

光谱分辨率：200nm；

非制冷探测器像元大小：34μm×34μm。

参见表1，为本实例中各光学元件的具体光学参数。表中“表面”表示各光学表面代号；“曲率半径”表示各光学面半径大小；“材料”表示该光学元件所用材料；“距离”表示该光学面顶点到下一个光学面顶点的横向距离；凸球面光栅7刻线密度为1.34Lp/mm。

表1

参照图2所示，为本实施例提供的中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置的0.7视场处光路俯视图。该红外光谱仪包括空气狭缝和焦平面在内的整个分光装置关于光轴9对称。该成像光谱仪空间维成像放大率为1:1，焦平面空间维长度与空气狭缝长度相等；空气狭缝和焦平面轴向距离不超过5mm，凹面反射镜和凹面反射镜4的轴向距离不超过2mm。

参照图3所示，为本实施例所示的光学系统中心波长的MTF曲线。从图3可以看出，该光谱仪在探测器奈奎斯特频率14.7Lp/mm处的MTF值大于0.56，接近衍射极限，成像质量优良。

参照图4所示，为本实施例所示的光学系统中心波长的光线追迹点列图。图中的黑色圆圈表示艾里斑大小，从图中可以看出，该结构各波长不同视场处的点列图几乎都能集中在艾里斑以内，接近衍射极限。

参照图5所示，本实施例所示的光学系统中心波长的但单个像元内能量集中度曲线，从图中可以看出，非制冷探测器单个像元内的能量集中度都大于72％。

本实用新型的原理是：采用基于Offner型同心结构的分光装置，结构紧凑，谱面弯曲和色畸变小，并大大提高成像光谱仪的相对孔径；采用全反射式望远系统，没有色差和二级光谱，像质良好；基于双闪耀光栅，中、长波红外共用同一衍射级次代替现有工作于双衍射级次的宽光谱系统，大大降低消除叠级光谱的难度；采用同种材料全反射式的系统结构，使成像光谱仪在大温度范围内像质稳定；各光、机元件材料经优选均为铝，具有质量轻，易加工的特点，能避免机械与光学元件的热膨胀差异而产生热变形；适用于中波和长波红外、大相对口径、非制冷要求的高光谱遥感领域。

所述机械结构件的表面镀金。镀金的效果，金膜在热红外波段具有高反射率，且其在恶劣环境下的反射率稳定性好，因此发射率小，结构件产生的热辐射小。

本实用新型还包括反射型遮光罩，所述反射型遮光罩为Stavroudis型遮光罩，所述反射型遮光罩位于第一凹面反射镜的物空间以抑制视场外杂散光。

本实用新型还公开了一种中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置的探测方法，基于上述的非制冷高光谱成像仪，在所述空气狭缝处安装快门，所述探测方法包括以下步骤：

S1、关闭快门，所述非制冷探测器获取第一暗测量信号

S2、打开快门，所述非制冷探测器获取亮测量信号

S3、再次关闭快门，获取第二暗测量信号

S4、通过对第一暗测量

和第二暗测量

进行时间线性插值，计算亮测量

包含的噪声信号，并将噪声信号从亮测量

中扣除，获得目标信号，所述目标信号

采用该探测方法，能够扣除系统自身热辐射噪声，实现目标信号的有效探测，解决目前非制冷热红外光学系统应用的一大难题。

参照图6所示，为本实用新型探测方法中关闭快门，非制冷探测器的探测面照度图。其中，目标信号500K,从图中可以看出，500K目标信号被淹没在300K环境下的自身热辐射噪声中。

图7为本实用新型探测方法中打开快门，非制冷探测器的探测面照度图，从图中可以看出，背景噪声严重。

图8为本实用新型目标信号最终计算结果示意图，从图中可以看出，目标信号可成功获得。

与现有技术相比，本实用新型的特点是：

1.本实用新型提供的成像光谱仪光谱范围宽，涉及更广的应用领域，能获取更多的遥感信息。

2.本实用新型提供的成像光谱仪无需引入其它制冷设备，体积小，成本低。

3.光学系统光谱分辨率高，总光学元件少，结构紧凑，质量轻适用于空间遥感领域。

4.采用双闪耀光栅，中、长波红外共用同一衍射级次的分光方式，大大降低消除叠级光谱的难度。

5.采用全反射式结构，无色差和二级光谱，成像质量好。

6.光学、机械元件均采用铝，所用材料对热膨胀系数优选过，且不会因材料差异导致系统光学面变形，能够在大温度范围内保持像质稳定,具有非制冷的特点，且实现系统轻量化，减小生产研制成本。

7.相对孔径大，成像光谱仪集光能力强，具有高信噪比，拍摄的光谱图像噪声小，对比度高。

以上所述实施例仅是为充分说明本实用新型而所举的较佳的实施例，本实用新型的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本实用新型基础上所作的等同替代或变换，均在本实用新型的保护范围之内。本实用新型的保护范围以权利要求书为准。

Claims

1.一种中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，其特征在于，包括第一凹面反射镜、凸面反射镜、第二凹面反射镜、空气狭缝、凹球面反射镜、凸球面光栅和非制冷探测器；

中长波红外光束平行入射至所述第一凹面反射镜上，之后依次经过第一凹面反射镜、凸面反射镜和第二凹面反射镜的反射进入空气狭缝，之后经凹球面反射镜的第一次反射后会聚至凸球面光栅并分光，获得发散光束，所述发散光束返回至所述凹球面反射镜并经凹球面反射镜第二次反射，成像于焦平面上，所述非制冷探测器设置在焦平面上。

2.如权利要求1所述的中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，其特征在于，所述第一凹面反射镜、凸面反射镜、第二凹面反射镜、凹球面反射镜和凸球面光栅的材料相同。

3.如权利要求1所述的中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，其特征在于，所述凸球面光栅为直线槽刻划光栅或曲线槽全息光栅。

4.如权利要求1所述的中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，其特征在于，所述成像装置F数范围为1.5～10。

5.如权利要求1所述的中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，其特征在于，所述第一凹面反射镜和第二凹面反射镜为二次非球面。

6.如权利要求1所述的中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，其特征在于，所述成像装置无中心遮拦。

7.如权利要求1所述的中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，其特征在于，还包括固定光学元件的机械结构件，所述光学元件包括第一凹面反射镜、凸面反射镜、第二凹面反射镜、空气狭缝、凹球面反射镜和凸球面光栅，所述机械结构件与光学元件的材料相同。

8.如权利要求7所述的中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，其特征在于，所述机械结构件的表面镀金。

9.如权利要求1所述的中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，其特征在于，还包括反射型遮光罩，所述反射型遮光罩为Stavroudis型遮光罩，所述反射型遮光罩位于第一凹面反射镜的物空间以抑制视场外杂散光。

10.如权利要求1所述的中、长波热红外双谱段非制冷型成像装置，其特征在于，所述凹球面反射镜与凸球面光栅的曲率半径之比为1.8：1～2.5：1。