基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪

摘要

基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪属于光学技术领域，目的在于解决现有技术存在的要求制冷设备体积大和维持低温所需能源多的问题。本发明包括离轴三反前置望远物镜、Dyson光栅光谱仪和二次成像镜组；离轴三反前置望远物镜包括三片反射镜和狭缝，三片反射镜将目标景物辐射信息成像在狭缝处；Dyson光栅光谱仪将所述狭缝处所成的像按不同波长色散并将包含有多光谱信息的像成像于一次像面处，所述二次成像镜组将距离一次像面较远位置且不同波长处相距较远的出瞳，二次成像于探测器冷光阑处。本发明采用二次成像的方法，将不同波长下相距较远的系统出瞳，二次成像于探测器冷光阑位置，满足单独对探测器进行制冷的技术要求。

权利要求

1.基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪，其特征在于，包括：

离轴三反前置望远物镜，所述离轴三反前置望远物镜包括三片反射镜和狭缝(4)，三片反射镜将目标景物辐射信息成像在狭缝(4)处；

将所述狭缝(4)处所成的像按不同波长色散并将包含有多光谱信息的像成像于一次像面(8)处的Dyson光栅光谱仪，所述Dyson光栅光谱仪包括平凸厚透镜(5)、非球面矫正镜(6)和凹面反射光栅(7)，光线从狭缝(4)入射，依次经过平凸厚透镜(5)和非球面矫正镜(6)后，由凹面反射光栅(7)反射并分光，再依次经非球面矫正镜(6)和平凸厚透镜(5)聚焦在一次像面(8)处；

和二次成像镜组，所述二次成像镜组将距离一次像面(8)较远位置且不同波长处相距较远的出瞳，二次成像于探测器冷光阑(10)处；所述二次成像镜组包括一面带有非球面的半月形透镜(901)、两面都是球面的半月形透镜(902)和一面带有非球面的凸透镜(903)，一次像面(8)处的光线依次经一面带有非球面的半月形透镜(901)和两面都是球面的半月形透镜(902)发散，再经一面带有非球面的凸透镜(903)会聚于探测器处。

2.根据权利要求1所述的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪，其特征在于，所述三片反射镜均为六次非球面反射镜，具体包括六次非球面反射镜A(1)、六次非球面反射镜B(2)和六次非球面反射镜C(3)，目标景物辐射信息依次经六次非球面反射镜A(1)的凹球面、六次非球面反射镜B(2)的凸球面和六次非球面反射镜C(3)的凹球面反射成像在所述狭缝(4)处。

3.根据权利要求2所述的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪，其特征在于，所述六次非球面反射镜B(2)为离轴三反前置望远物镜的光阑，所述六次非球面反射镜B(2)位于所述六次非球面反射镜C(3)焦平面附近。

4.根据权利要求1所述的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪，其特征在于，所述制冷型长波红外成像光谱仪还包括转折镜面A(12)，狭缝(4)处的出射光线经转折镜面A(12)入射到Dyson光栅光谱仪中。

5.根据权利要求1所述的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪，其特征在于，所述二次成像镜组还包括转折镜面B(13)，一次像面(8)处的光线依次经一面带有非球面的半月形透镜(901)和两面都是球面的半月形透镜(902)发散后，经转折镜面B(13)入射到一面带有非球面的凸透镜(903)，再经一面带有非球面的凸透镜(903)会聚于探测器处。

6.根据权利要求1所述的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪，其特征在于，所述探测器为制冷型HgCdTe探测器，所述冷光阑(10)位于探测器焦平面前方20mm处。

7.根据权利要求1所述的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪，其特征在于，所述平凸厚透镜(5)的材料为ZnSe。

8.根据权利要求1所述的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪，其特征在于，所述二次成像透镜组中的一面带有非球面的半月形透镜(901)、两面都是球面的半月形透镜(902)和一面带有非球面的凸透镜(903)的材料为Ge。

说明书

基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪

技术领域

[0001] 本发明属于光学技术领域，涉及一种制冷型高光通量长波红外成像光学系统，具体涉及一种基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪。

背景技术

[0002] 成像光谱仪是在多光谱遥感成像技术基础上发展起来的新型空间大气光学遥感仪器，它能够以高光谱分辨率获取目标的超多谱段。工作于长波红外波段(8～12μm)的成像光谱仪保密性好、可昼夜连续工作、受天气影响较小、抗干扰能力强，在物质探测识别方面具有明显的优势。由于长波红外波段的遥感信号较弱，这就要求长波红外成像光谱仪的光学系统具有较高的光通量，与此同时，为了获得较高的信噪比，还需要对探测器进行制冷。

[0003] 离轴三反光学系统结构简单，可以实现较高的光通量，光谱范围宽，没有光线遮拦，结构采用反射式，避免了色差，且结构自由度较大，可以为后续的光谱仪系统提供理想的狭缝的像。

[0004] 基于同心结构的光栅光谱仪结构简单紧凑，体积小、重量轻，数值孔径大，谱线弯曲和谱带弯曲小，近年来受到了越来越广泛的关注。其中，Dyson结构体积及光通量方面的优势更为突出，可以很好地满足长波红外波段对光谱仪的要求。

[0005] Dyson结构为折反式，不同波长处的出瞳位置由于折射率的不同而相距较远，在实现冷光阑匹配的问题上具有一定难度。现有技术中，通过对光谱仪和探测器共同封装置冷的方法，将冷光阑置于狭缝之前，回避了冷光阑不匹配的问题，但是这种方法要求较大体积的制冷设备，以及更多维持低温所需要的能源供应。

发明内容

[0006] 本发明的目的在于提出一种基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪，解决现有技术存在的要求制冷设备体积大和维持低温所需能源多的问题。

[0007] 为实现上述目的，本发明的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪包括：

[0008] 离轴三反前置望远物镜，所述离轴三反前置望远物镜包括三片反射镜和狭缝，三片反射镜将目标景物辐射信息成像在狭缝处；

[0009] 将所述狭缝处所成的像按不同波长色散并将包含有多光谱信息的像成像于一次像面处的Dyson光栅光谱仪，所述Dyson光栅光谱仪包括平凸厚透镜、非球面矫正镜和凹面反射光栅，光线从狭缝入射，依次经过平凸厚透镜和非球面矫正镜后，由凹面反射光栅反射并分光，再依次经非球面矫正镜和平凸厚透镜聚焦在一次像面处；

[0010] 和二次成像镜组，所述二次成像镜组将距离一次像面较远位置且不同波长处相距较远的出瞳，二次成像于探测器冷光阑处；所述二次成像镜组包括一面带有非球面的半月形透镜、两面都是球面的半月形透镜和一面带有非球面的凸透镜，一次像面处的光线依次经一面带有非球面的半月形透镜和两面都是球面的半月形透镜发散，再经一面带有非球面的凸透镜会聚于探测器处。

[0011] 所述三片反射镜均为六次非球面反射镜，具体包括六次非球面反射镜A、六次非球面反射镜B和六次非球面反射镜C，目标景物辐射信息依次经六次非球面反射镜A的凹球面、六次非球面反射镜B的凸球面和六次非球面反射镜C的凹球面反射成像在所述狭缝处。

[0012] 所述六次非球面反射镜B为离轴三反前置望远物镜的光阑，所述六次非球面反射镜B位于所述六次非球面反射镜C焦平面附近。

[0013] 所述制冷型长波红外成像光谱仪还包括转折镜面A，狭缝处的出射光线经转折镜面A入射到Dyson光栅光谱仪中。

[0014] 所述二次成像镜组还包括转折镜面B，一次像面处的光线依次经一面带有非球面的半月形透镜和两面都是球面的半月形透镜发散后，经转折镜面B入射到一面带有非球面的凸透镜，再经一面带有非球面的凸透镜会聚于探测器处。

[0015] 所述探测器为制冷型HgCdTe探测器，所述冷光阑位于探测器焦平面前方20mm处。

[0016] 所述平凸厚透镜的材料为ZnSe。

[0017] 所述二次成像透镜组中的一面带有非球面的半月形透镜、两面都是球面的半月形透镜和一面带有非球面的凸透镜的材料为Ge。

[0018] 本发明的有益效果为：本发明的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪中的前置望远物镜接收目标景物的辐射信息，并将它们成像于狭缝处，通过Dyson光谱仪将狭缝处的像按不同波长色散并将包含有多光谱信息的像成于一次像面处，通过二次成像镜组将位于较远位置且相距较远的不同波长的出瞳，二次成像于探测器冷光阑处；采用二次成像的方法，以10μm为中心波长，将不同波长下相距较远的系统出瞳，二次成像于探测器冷光阑位置，实现了100％的冷光阑效率，进而满足单独对探测器进行制冷的技术要求。

附图说明

[0019] 图1为本发明的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪中离轴三反望远物镜结构示意图；

[0020] 图2为本发明的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪中离轴三反望远物镜像面处的点列图；

[0021] 图3为本发明的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪中Dyson结构的光谱仪结构示意图；

[0022] 图4为本发明的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪中二次成像前的成像光谱仪示意图；

[0023] 图5为本发明的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪中二次成像原理示意图；

[0024] 图6为本发明的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪中理想透镜二次成像光谱仪示意图；

[0025] 图7为本发明的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪中二次成像透镜组结构示意图；

[0026] 图8为本发明的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪整体结构示意图；

[0027] 图9为本发明的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪的分辨率示意图；

[0028] 其中：1、六次非球面反射镜A，2、六次非球面反射镜B，3、六次非球面反射镜C，4、狭缝，5、平凸厚透镜，51、平凸厚透镜入射面，52、平凸厚透镜出射面，6、非球面矫正镜，61、非球面矫正镜入射面，62、非球面矫正镜出射面，7、凹面反射光栅，8、一次像面，9、理想透镜组，901、一面带有非球面的半月形透镜，9011、一面带有非球面的半月形透镜入射面，9012、一面带有非球面的半月形透镜出射面，902、两面都是球面的半月形透镜，9021、两面都是球面的半月形透镜入射面，9022、两面都是球面的半月形透镜出射面，903、一面带有非球面的凸透镜，9031、一面带有非球面的凸透镜入射面，9032、一面带有非球面的凸透镜出射面，10、冷光阑，11、二次像面，12、转折镜面A，13、转折镜面B。

具体实施方式

[0029] 下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

[0030] 参见附图8，本发明的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪包括离轴三反前置望远物镜、Dyson光栅光谱仪、二次成像镜组和探测器；

[0031] 参见附图1，所述离轴三反前置望远物镜包括三片反射镜和狭缝4，三片反射镜将目标景物辐射信息成像在狭缝4处；所述三片反射镜为六次非球面反射镜，具体包括六次非球面反射镜A1、六次非球面反射镜B2和六次非球面反射镜C3，目标景物辐射信息依次经六次非球面反射镜A1的凹球面、六次非球面反射镜B2凸球面和六次非球面反射镜C3凹球面反射成像在所述狭缝4处；所述六次非球面反射镜B2为离轴三反前置望远物镜的光阑，所述六次非球面反射镜B2位于所述六次非球面反射镜C3焦平面附近；先设计符合要求的同轴三反结构，之后对各反射镜镜面进行合理的离轴和偏转，以保证光线的互不遮挡。与此同时，通过控制六次非球面反射镜A1镜面和六次非球面反射镜B2镜面间的距离与六次非球面反射镜B2镜面和六次非球面反射镜C3镜面间的距离之和的范围，来保证结构较好的对称性并且为使主光线垂直入射到光谱仪，需保证离轴三反望远物镜中的主光线垂直狭缝4。最后，通过Zemax优化得到离轴三反望远物镜的最佳结构，出瞳位于较远的-404mm处。

[0032] 参见附图2，离轴三反望远物镜的点列图，其中圆圈代表着艾里斑，可见各视场下的景物都能够实现理想成像。

[0033] 参见附图3，所述Dyson光栅光谱仪将所述狭缝4处所成的像按不同波长色散并将包含有多光谱信息的像成像于一次像面8处，所述Dyson光栅光谱仪包括平凸厚透镜5、非球面矫正镜6和凹面反射光栅7，光线从狭缝4入射，依次经过平凸厚透镜5和非球面矫正镜6发散后，由凹面反射光栅7反射并分光，再依次经非球面矫正镜6和平凸厚透镜5聚焦在一次像面8处；非球面矫正镜6的引入，是为了矫正由狭缝4和探测器与平凸厚透镜5后表面分离而产生的球差。

[0034] 参见附图4，二次成像前成像光谱仪结构示意图，此时系统的出瞳距离lexp1分别为：在8μm处为234mm，在10μm处为152mm，在12μm处为101mm。显然不同波长处的出瞳并不在同一个位置，为了满足整个系统的光瞳匹配，对系统进行了二次成像。

[0035] 参见附图5，二次成像的过程是一次像面8处的光线依次经理想透镜组9和冷光阑10成像在二次像面11处，所述二次像面11处即是探测器像面位置，将一次像面8I1成像于二次像面11I2，同时将前方系统的出瞳EXP1成像于探测器冷光阑10位置处EXP2，进而实现光瞳匹配的要求。根据二次成像前成像光学系统的出瞳位置，选择10μm作为中心波长，设二次成像镜组的焦距为f，根据公式(1)和公式(2)得到二次成像镜组的相关参数：

[0036]

[0037]

[0038] 其中：f为二次成像镜组的焦距；

[0039] S为二次成像镜组中的物距；

[0040] S’为二次成像镜组中的像距；

[0041] lstop为冷光阑10距离二次像面11的位置；

[0042] lexp1为出瞳距离一次像面8的位置。

[0043] 计算得到f＝17.67mm，S＝-S’＝-35.34mm。先以理想透镜代表透镜组，加入图4中的系统进行二次成像，并以f、S、-S’作为变量稍加优化，得到二次成像镜组。

[0044] 优化后的理想透镜组9的物方数值孔径为0.24，焦距f’＝19.03mm，入瞳位置为302.115mm。将以上参数作为限制条件，用Zemax设计并优化得到了如图7所示的二次成像透镜组。所述二次成像镜组将距离一次像面8较远位置且不同波长处相距较远的出瞳，二次成像于探测器冷光阑10处；所述二次成像镜组包括一面带有非球面的半月形透镜901、两面都是球面的半月形透镜902和一面带有非球面的凸透镜903，一次像面8处的光线依次经一面带有非球面的半月形透镜901和两面都是球面的半月形透镜902发散，再经一面带有非球面的凸透镜903会聚于探测器处；

[0045] 一面带有非球面的半月形透镜入射面9011和一面带有非球面的凸透镜出射面9032为六次非球面，一面带有非球面的半月形透镜出射面9012、两面都是球面的半月形透镜入射面9021、两面都是球面的半月形透镜出射面9022和一面带有非球面的凸透镜入射面
9031都为球面。

[0046] 所述探测器为制冷型HgCdTe探测器，制冷型HgCdTe探测器的工作波段为8～12μm，F数为2，像元大小为40μm，阵列大小为256×256(M×N)。为实现较高的信噪比，制冷型探测器的入口处通常有一个冷光阑10，该冷光阑10位于探测器焦平面前方20mm(lstop)处。

[0047] 为避免光线遮拦，所述制冷型长波红外成像光谱仪还包括转折镜面A12狭缝4处的出射光经转折镜面A12入射到Dyson光栅光谱仪中。所述二次成像镜组还包括转折镜面B13，一方面使得结构中个光线互不遮挡，另一方面也减小了系统的体积，使结构更加紧凑。参见附图8，本发明能够实现100％的冷光阑10效率。为保证狭缝4处始终为理想的像，在整个优化过程中，不将望远物镜中的任何参数设置为变量。最终结构各个面的参数值列于下表：

[0048]

[0049]

[0050] 所述平凸厚透镜5的材料为ZnSe。

[0051] 所述二次成像透镜组中的一面带有非球面的半月形透镜901、两面都是球面的半月形透镜902和一面带有非球面的凸透镜903的材料为Ge。

[0052] 在多体拼接的光学系统中，一方面需要满足前方光学系统的像方数值孔径与后方光学系统的物方数值孔径相等，另一方面也要满足需要满足前方光学系统的出瞳与后方光学系统的入瞳在同一位置，这样的目的是为了保证能量的充分利用的同时，避免渐晕以及光阑像差。在本发明中，因为Dyson光谱仪为折反式结构，不同波长的入瞳位置必然不会在同一位置，因此需要令前方望远物镜的出瞳以及后方光谱仪的入瞳都为于无穷远，此时，主光线的路径改变很小，由光瞳不匹配而带来的渐晕以及光阑像差可以忽略不计。

[0053] 根据本发明的成像光谱仪的传递函数曲线，可知系统像质接近衍射极限。系统在尼奎斯特频率为12.5/mm处时，在波长为12μm处最低为0.55，满足光学系统的要求。

[0054] 参见附图9，成像光谱仪系统的分辨率示意图，系统在波长为10μm处的分辨率最低，为25nm。