[实用新型]长波红外成像光谱仪光学系统

说明书

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基于平面光栅色散的长波红外成像光谱仪光学系统。

背景技术

近来一二十年，长波红外成像光谱仪，已用来矿物识别与勘探、污染气体排放监测和高精度目标识别确认等，在国民生产、军事和科学研究等领域已开展应用。

早先的代表仪器有：1996年，美国研制的SEBASS机载红外高光谱成像光谱仪，光谱范围中含有长波7.5～13.5μm，光谱采样为50nm，瞬时视场1mrad，TMA反射望远物镜，分色镜透射长波红外，通过NaCl棱镜分光，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，20个像元，100μm的光谱采样，空间分辨率3.6mrad，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。为进一步提升性能和提高信噪比，之后继续研制完成了TIRIS-II和TIRIS-III。1998年，美国夏威夷大学研制完成AHI机载热红外高光谱成像仪，采用光栅分光，面阵探测器推帚成像。望远物镜是一个两元衍射受限传输透镜，口径35mm，焦距111mm。分光系统是一个f/4的商用非制冷反射式成像光谱仪，镀金。探测地雷时，AHI采用225μm宽度的狭缝，即沿轨(垂直狭缝方向)IFOV是2.02mrad，光谱分辨率125nm。穿轨的角分辨率是0.81mrad。探测器使用256×256元的RockwellTCM2250HgCdTe焦平面探测器，机械制冷到56K。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，瞬时视场0.9mrad，全视场6.6°，可用于地面和机载成像，入瞳口径35mm，三反射镜望远物镜，F数2.5，平面光栅分光，35nm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。早一代的长波红外成像光谱仪特点是：体积比较大，制冷温度相对不算低。所获得图像的信噪比和光谱特征进一步提高的空间很大。

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8～9μm，后期将扩展到8～12μm工作波段。紧凑光学系统采用透射式物镜，狭缝为视场光阑，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，分光计光机整体制冷抑制杂散热辐射。狭缝宽度75μm，合并光谱通道数32个，不含望远镜总视场14.7°，空间分辨率2mrad。自QWEST以来，长波成像光谱仪往紧凑型发展，更倾向考虑曲面光栅，使得系统的F#小，体积小，畸变低；相伴而生的是：曲面光栅制造成本高昂，透镜元件低温离焦而造成离焦能量损失，超短后截距使得探测器选择范围更小。

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，本发明的目的是设计一种长波红外成像光谱仪光学系统，F数小于2，视场大于15°，对8～12.5μm实现光谱成像。

本发明的光学系统如图1所示。光学系统由望远成像镜1和低温光谱仪2组成。低温光谱仪2，由低温窗口3、视场光阑4和转折镜5、三镜6、次镜7、主镜8、平面闪耀光栅9和滤光片10组成。

来自物方的辐射经望远成像镜1，穿过低温窗口3，进入低温光谱仪2，会聚到视场光阑4上，再发射至转折镜5上，之后经三反系统的三镜6、次镜7、主镜8，到达平面闪耀光栅9上进行反射分光，重新经三反系统的主镜8、次镜7、三镜6，经过滤光片10后分光成像。

所述的望远成像镜1，不制冷，F数小于1.9，视场大于15°。望远成像镜1为透射镜头，透镜材料为锗和硒化锌，校正色差，其中第一个透镜的第一面为8次非球面用于校正大视场畸变，其余面为球面。望远成像镜1的出瞳在后方，也是低温光谱仪2的入瞳所在，与低温窗口4接近，利于系统的冷光学设计以降低背景辐射影响。