一种带有冷光阑的红外高光谱成像系统的制作方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及一种红外高光谱成像系统，具体涉及一种带有冷光阑的棱镜分光红外 高光谱成像系统。
【背景技术】
[0002] 杂散光指光学系统中除了成像光线外，扩散于探测器表面上的其他非成像光线辐 射能和通过非正常光路到达探测器成像光线辐射能。一般遮拦良好的光学系统，其杂散光 往往由系统结构部件和光学元件表面的散射和衍射以及多次反射造成的。在红外探测系统 中，当目标信号比较弱时，少量的杂散光引起的噪声会大大降低系统的输出信噪比和像面 的对比度，同时在像面上产生杂光光斑，导致像质下降，从而削弱系统的探测能力，严重时 可使目标探测信号完全被杂散辐射噪声所淹没。杂散光问题已经成为制约空间光学仪器系 统性能的主要障碍。
[0003] 红外探测系统的杂散光来源主要有三类：第一类是光学系统外部的辐射源，如太 阳光、地表面散射等，视场外的光源通过系统内部构件的多次反射、折射或衍射到达探测器 表面，称为外部杂散辐射或外杂光；第二类是光学系统内部的辐射源，如控制电机、温度较 高的光学元件等，系统本身的红外热辐射直接或间接通过散射到达探测器表面，称为内部 杂散辐射或内杂光；第三类是成像目标光线经非光路表面散射或经光路表面的非正常传播 而进入探测器的辐射能量，视场内的背景光到达探测器表面，称为成像杂散光。对目标光谱 是可见光的光学系统，外部杂散辐射起主要作用；对红外光学系统或工作在红外波段的成 像光谱仪，内部杂散辐射的作用显得尤为突出。
[0004] 第三类杂散光通常在信号处理阶段加以消除，需要抑制的杂散光通常指前两类杂 散光。对于第一类杂散光，红外系统和可见光系统均常采用遮光罩和挡光环等措施加以抑 制；而第二类杂散光是红外系统特有的杂散光，由于红外辐射会随着温度的降低而减弱，所 以一般需要将成像光谱仪等置于低温环境下以降低系统的红外辐射强度。
[0005] 传统的降温方式往往采用对整个光谱仪系统全部制冷的办法，这样不仅耗能高、 代价大，而且制冷系统体积大，组装笨重，不利于仪器的推广使用。
[0006] 本发明提出的带有冷光阑的红外高光谱成像系统，制冷区域仅限于孔径光阑、狭 缝和探测器光敏面。相比于传统的整个系统全部制冷的方法，制冷成本大大降低，而杂散光 抑制效果仍然很好，杂散光辐射强度不超过主光线强度的1. 4%。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种置孔径光阑、狭缝和探测器光敏面于低温保护的、成 本相对较低的红外高光谱成像系统，解决现有的高光谱成像仪消除杂散光干扰时低温保护 代价高的问题。
[0008] 本发明所采用的技术方案是：一种带有冷光阑的红外高光谱成像系统，系统包括 成像子系统和分光子系统。其中，如图1所示，成像子系统包括物镜组1和第一低温遮光罩 2 ;分光子系统包括狭缝5、准直反射镜7、分光棱镜8、会聚反射镜9、校准镜10、第二低温遮 光罩11和探测器光敏面14。以不同视场角入射到成像子系统中的光线，经物镜组1会聚 入射到第一玻璃平板3上，再被与成像子系统出瞳重合的低温滤光片4限制最终成像在第 一低温遮光罩2中的狭缝5上，通过狭缝5的光线由第二玻璃平板6出射后，经过准直反射 镜7反射到分光棱镜8色散，然后折射到会聚反射镜9上，再经所述校准镜10校准成像后 入射到第三玻璃平板12处，经第四玻璃平板13最终被所述探测器光敏面14接收。
[0009] 所述成像子系统为非远心光路系统，所述成像子系统出瞳和分光子系统入瞳重合 于第一低温遮光罩2的低温滤光片4的第二面上，所述物镜组1为由4块正、负透镜组成的 望远透镜组，所述第一低温遮光罩2和第二低温遮光罩11由人工制冷于100K温度以下，其 中第一玻璃平板3、第二玻璃平板6和第三玻璃平板12为平面透镜，材料为硅；第四玻璃平 板13为平面透镜，材料为锗；所述准直反射镜7和会聚反射镜9均为偏轴使用的球形反射 镜，分光棱镜8为偏轴使用的氟化镁棱镜，该氟化镁棱镜的第一面801和第二面802的光学 表面均为球面，其中第一面为内反射面，第二面为透射表面，所述的校准镜10为弯月形透 镜，材料为锗。所述的探测器光敏面14接收光谱图像信号。
[0010] 本发明的优点是：
[0011] 相比于一般的红外高光谱成像仪，该带有冷光阑的红外高光谱成像系统低温保护 区域大大减小，因而系统降温代价更小，成本更低，在满足成像效果的前提下可以达到良好 的抗杂散光干扰能力。
【附图说明】
[0012] 为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用 的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本 领域的普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他 附图。
[0013] 图1带有冷光阑的红外高光谱成像系统的光学结构；
【具体实施方式】
[0014] 下面结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整 地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本 发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施 例，都属于本发明的保护范围。
[0015] 下面将结合附图对本发明实施例作进一步地详细描述。
[0016] 所述带有冷光阑的红外高光谱成像系统的成像子系统中，物镜组由正透镜1、负透 镜1、正透镜2、正透镜3顺次组成，物镜组口径44. 75謹，视场角5°，焦距124. 825謹，F# = 2. 787 ;整个光谱系统焦距126. 011mm，F# = 2. 765 ;带有冷光阑的红外高光谱成像系统工作 波段为2. 0 μ m~4. 8 μ m，狭缝长度10. 9mm，色散宽度10. 9mm (采用25 μ m像元，可以实现 436个波段的探测）。具体相关参数见表1、表2。
[0017] 最后光路会聚成像在探测器光敏面处，相对于系统垂直面倾斜-0. 056°。
[0018] 逆向光路中，第二低温遮光罩的第四玻璃平板第一面的光强为0. 0441W，物镜组中 第一块透镜的第一面的光强为0. 0435W，光能传递率为98. 64%，由光路可逆性可知，该红 外高光谱成像系统正常工作时，杂散光对光路的影响约为1. 36%，杂散光对系统的影响非 常小，该系统的抗杂散光能力较强。
[0019] 表 1
[0020]
[0022] 表 2
[0023]
【主权项】
1. 一种带有冷光阑的红外高光谱成像系统；包括成像子系统和分光子系统其特征在 于： 所述的成像子系统包括物镜组（1)和第一低温遮光罩（2); 所述的物镜组（1)会聚来自物方的光并一次成像到狭缝（5)所处的焦平面上，所述的 第一低温遮光罩（2)中的狭缝（5)和光阑保持低温状态； 所述的分光子系统包括狭缝（5)、准直反射镜（7)、分光棱镜（8)、会聚反射镜（9)、校准 镜（10)，所述的准直反射镜（7)用于转折光路和会聚光线，分光棱镜（8)用于色散和改善像 质，会聚反射镜（9)用于转折光路和聚焦成像，校准镜（10)用于校准会聚光路和消色差，第 二低温遮光罩（11)用于保持探测器光敏面（14)处于低温状态，探测器光敏面（14)用于接 收光路并二次成像； 不同视场角的光线进入系统后，经物镜组（1)会聚到第一玻璃平板（3)上，再由光阑所 在的低温滤光片（4)限制最终成像在第一低温遮光罩（2)中的狭缝（5)上，通过狭缝（5) 的光线由第二玻璃平板（6)出射后，经过准直反射镜（7)反射到分光棱镜（8)色散，然后折 射到会聚反射镜（9)上，最后会聚到校准镜（10)处；经过所述校准镜（10)校准成像后，光 路再经第三玻璃平板（12)、第四玻璃平板（13)，最终被所述探测器光敏面（14)接收，与行 扫描方向对应的探测器列阵单元构成空间维，与色散方向对应的探测器阵列单元构成光谱 维。2. 如权利要求1所述的一种带有冷光阑的红外高光谱成像系统，其特征在于，所述的 物镜组（1)为由4个正负透镜组成的望远透镜组。3. 如权利要求1所述的一种带有冷光阑的红外高光谱成像系统，其特征在于，所述的 成像子系统的出瞳和分光子系统的入瞳重合于第一低温遮光罩（2)的低温滤光片（4)的第 二面上。4. 如权利要求1所述的一种带有冷光阑的红外高光谱成像系统，其特征在于，所述的 第一低温遮光罩（2)制冷于100K温度以下。5. 如权利要求1所述的一种带有冷光阑的红外高光谱成像系统，其特征在于，所述的 第一玻璃平板（3)和第二玻璃平板（6)为硅平面平板。6. 如权利要求1所述的一种带有冷光阑的红外高光谱成像系统，其特征在于，所述分 光子系统中的准直反射镜（7)和会聚反射镜（9)为偏轴使用的球形反射镜；分光棱镜（8) 为偏轴使用的氟化镁棱镜，该氟化镁棱镜的第一面（801)和第二面（802)的光学表面均为 球面，其中第一面为内反射面，第二面为透射表面；校准镜（10)为锗弯月形透镜。
【专利摘要】本发明公开了一种带有冷光阑的红外高光谱成像系统。本系统由成像子系统和分光子系统构成。所述成像子系统包括物镜组和第一低温遮光罩。所述分光子系统包括狭缝、准直反射镜、分光棱镜、会聚反射镜、校准镜、第二低温遮光罩和探测器光敏面。其中，第一低温遮光罩和第二低温遮光罩均被降温至100K开氏温度以下，两处带有玻璃平板的盒状遮光罩分别置孔径光阑和探测器光敏面于低温保护中。入射光线经物镜组一次成像于狭缝，经准直反射镜反射后进入分光棱镜色散分光，再经过会聚反射镜反射和校准镜校准后二次成像在探测器光敏面上。采用本发明的高光谱成像系统不仅像质好，集光能力强，光学效率高，而且低温保护区域小，杂散光干扰弱。
【IPC分类】G01J3/02, G01J3/28
【公开号】CN105092031
【申请号】CN201510295753
【发明人】王跃明, 周世尧, 王建宇, 舒嵘, 袁立银, 郎均慰, 黄文俊, 鲍智康
【申请人】中国科学院上海技术物理研究所
【公开日】2015年11月25日
【申请日】2015年6月2日