一种长波成像光谱仪低温模型及其装调方法
【技术领域】
[0001] 本发明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及其装调方法。
【背景技术】
[0002] 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. 5 μπι谱段， 光谱采样为50nm，瞬时视场为lmrad，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. 0 μ m，64个光谱波段，100 μ m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. 5 μ m，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 X 256元，40 μ m焦平面列阵，合并成128 X 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8~9 μ m，后期将扩展到8~12 μ m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50 μ m，8~12 μ m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. 4 μ m，结构与QWEST类似，成像光谱仪前方加了一个3. 66倍 的TM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。
[0003] 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8 μ m以下，降低8~14 μ m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】
[0004] 本发明解决的技术问题是：基于上述已有技术存在的一些问题，本发明的目的是 建立一种长波成像光谱仪低温模型，并给出相应的装调方法。
[0005] 本发明的模型如图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I，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。
[0006] 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 节精度〇. 〇〇5_，其外表面金属原色，内表面发黑处理。
[0007] 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。
[0008] 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. 5 μπι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3 μ m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〇. 〇〇5mm，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。
[0009] 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. 8 μ m之前 和13 μ m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
[0010] 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。
[0011] 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。
[0012] 本发明的低温模型及装调方法的优点是：系统紧凑