專利名稱::Mwir/lwir雙波段成像光譜儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域:
:本發(fā)明涉及用于遙感探測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域:
中的成像光譜儀,特別是一種基于折射/諧衍射混合中波紅外(MWIR)和長(zhǎng)波紅外(LWIR)雙波段光譜成像的光譜儀。
背景技術(shù):
:成像光譜儀是現(xiàn)代用于遙感探測(cè)技術(shù)的重要設(shè)備之一,它能夠在連續(xù)光譜段上對(duì)同一目標(biāo)同時(shí)成像,可直接反映出被觀測(cè)物體的光譜特征,甚至物體表面的物質(zhì)成分,因此可用于環(huán)境污染管理、城市規(guī)劃、土地資源分析、植被分類和測(cè)繪、農(nóng)業(yè)、洪澇火災(zāi)、地質(zhì)與礦產(chǎn)調(diào)查、海岸帶和海洋生態(tài)研究、大氣探測(cè)和軍事等多種方面。成像光譜儀獲得圖像信息和光譜信息對(duì)自然災(zāi)害、環(huán)境污染、危及人類的危險(xiǎn)事故等的預(yù)報(bào)、發(fā)生、評(píng)估等將起重要作用,具有極高的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。工作于中波紅外(MWIR)和長(zhǎng)波紅外(LWIR)波段的成像光譜儀,具有較好的穿透雨、雪、霾和常規(guī)煙幕的能力和抗強(qiáng)光干擾能力,晝夜可用,適用于復(fù)雜的工作環(huán)境,而且工作距離遠(yuǎn)。傳統(tǒng)的成像光譜儀系統(tǒng)采用棱鏡或光柵作為分光元件,系統(tǒng)包括望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)、色散元件、成像系統(tǒng)、探測(cè)器、電路系統(tǒng)以及計(jì)算機(jī)系統(tǒng)六部分。這種成像光譜儀系統(tǒng),不僅視場(chǎng)小、能量弱、光譜分辨率提高難度大,而且它體積大、重量高、結(jié)構(gòu)復(fù)雜,不方便使用。
發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為解決目前傳統(tǒng)的成像光譜儀存在的視場(chǎng)小、能量弱、光譜分辨率較低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷,提出一種基于諧衍射原理的MWIR/LWIR雙波段成像光譜儀,以滿足現(xiàn)在目標(biāo)探測(cè)對(duì)大信息量和高準(zhǔn)確度的要求。本發(fā)明麗IR/LWIR雙波段成像光譜儀,包括設(shè)置在同一機(jī)體上的諧衍射透鏡、在該諧衍射透鏡的出射光路上與其光軸平行設(shè)置的一臺(tái)制冷型焦平面探測(cè)器和一臺(tái)前端設(shè)有孔徑光闌的非制冷型焦平面探測(cè)器,通過(guò)視頻線與上述兩臺(tái)焦平面探測(cè)器相連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng);所述的兩臺(tái)焦平面探測(cè)器設(shè)置在一可沿垂直于所述諧衍射透鏡光軸方向移動(dòng)的橫向滑臺(tái)上,橫向滑臺(tái)設(shè)置在可沿平行于諧衍射透鏡光軸方向移動(dòng)的縱向滑臺(tái)上,兩臺(tái)焦平面探測(cè)器和諧衍射透鏡的光軸處在同一水平面上,驅(qū)動(dòng)兩滑臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)串行線與所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制相連。本MWIR/LWIR雙波段成像光譜儀的工作原理及操作過(guò)程是由被探測(cè)目標(biāo)發(fā)出的MWIR和LWIR的雙波段輻射光,經(jīng)過(guò)諧衍射透鏡的分光和聚焦,將MWIR和LWIR雙波段的各個(gè)離散波長(zhǎng)分別成像在制冷型焦平面探測(cè)器和非制冷型焦平面探測(cè)器上,并將所獲得的光譜圖像通過(guò)視頻線送至計(jì)算機(jī)進(jìn)行圖像處理和顯示,最后,通過(guò)圖像重構(gòu)的方法將各個(gè)波長(zhǎng)信息還原回目標(biāo)的光譜圖像信息。工作操作過(guò)程是,通過(guò)移動(dòng)橫向滑臺(tái),使制冷型焦平面探測(cè)器的光軸與諧衍射透鏡的光軸重合后,再通過(guò)移動(dòng)縱向滑臺(tái)沿系統(tǒng)的光軸方向進(jìn)行光譜掃描,實(shí)現(xiàn)MWIR譜段的光譜成像;再通過(guò)移動(dòng)橫向滑臺(tái),使非制冷型焦平面探測(cè)器的光軸與諧衍射透鏡的光軸重合后,再通過(guò)移動(dòng)縱向滑臺(tái)沿系統(tǒng)的光軸方向進(jìn)行光譜掃描,實(shí)現(xiàn)LWIR譜段的光譜成像。本發(fā)明折射/諧衍射MWIR/LWIR雙波段成像光譜儀的積極技術(shù)后果和優(yōu)點(diǎn)是1)諧衍射透鏡既是成像元件又是分光元件,無(wú)需而外的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)和成像系統(tǒng),簡(jiǎn)化了系統(tǒng)的結(jié)構(gòu);2)與傳統(tǒng)色散型成像光譜儀比較起來(lái),折射/諧衍射MWIR/LWIR雙波段成像光譜儀是整個(gè)輸入孔徑都能收集光能,這與傳統(tǒng)色散型成像光譜儀的輸入狹縫很窄的情況正好相反,因此,系統(tǒng)的光通量高于傳統(tǒng)色散型系統(tǒng);3)在設(shè)計(jì)方面,由于諧衍射透鏡可以使得多個(gè)波段同時(shí)實(shí)現(xiàn)分光,而且諧衍射透鏡的諧衍射面具有初、高級(jí)像差校正的作用,因此,折射/諧衍射MWIR/LWIR雙波段成像光譜儀的光學(xué)設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單,獲取的光譜信息量大。圖1是本發(fā)明MWIR/LWIR雙波段成像光譜儀的結(jié)構(gòu)示意圖;圖2是圖1所示雙波段成像光譜儀移至LWIR通道時(shí)的工作狀態(tài)示意圖;圖3是在3.74.8μm禾Π812μm兩個(gè)諧振波段工作下的衍射效率曲線圖;圖4是本發(fā)明麗IR/LWIR雙波段成像光譜儀麗IR(3.74.8μm)通道光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖;圖5是本發(fā)明麗IR/LWIR雙波段成像光譜儀LWIR(812μm)通道光學(xué)系統(tǒng)的光路示意圖。具體實(shí)施例方式以下結(jié)合按上述的技術(shù)方案所給出的實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)描述。如圖1、2所示,MWIR/LWIR雙波段成像光譜儀,包括設(shè)置在同一機(jī)體上的諧衍射透鏡1、在該諧衍射透鏡的出射光路上與其光軸平行設(shè)置的一臺(tái)制冷型焦平面探測(cè)器2和一臺(tái)前端設(shè)有孔徑光闌6的非制冷型焦平面探測(cè)器3,通過(guò)視頻線與上述兩臺(tái)焦平面探測(cè)器2、3相連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng);所述的兩臺(tái)焦平面探測(cè)器2、3設(shè)置在一可沿垂直于所述諧衍射透鏡1光軸方向移動(dòng)的橫向滑臺(tái)4上,橫向滑臺(tái)4設(shè)置在可沿平行于諧衍射透鏡1光軸方向移動(dòng)的縱向滑臺(tái)5上,兩臺(tái)焦平面探測(cè)器2、3和諧衍射透鏡1的光軸處在同一水平面上,驅(qū)動(dòng)兩滑臺(tái)4、5的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)串行線與所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制相連。本發(fā)明根據(jù)現(xiàn)代軍事偵查要求輕小型、全天候、高分辨率、實(shí)時(shí)傳輸、大信息量、高準(zhǔn)確度的要求,以及探測(cè)器響應(yīng)波段的限制,麗IR選取3.74.8μm和LWIR選取812μm波段作為光學(xué)系統(tǒng)的工作波段,通過(guò)諧衍射透鏡1的分光和成像特性將數(shù)百個(gè)工作波長(zhǎng)的信息成像在制冷型焦平面探測(cè)器2和非制冷型焦平面探測(cè)器3上。最后,通過(guò)圖像重構(gòu)的方法將各個(gè)波長(zhǎng)信息還原回目標(biāo)的光譜圖像信息。所述的諧衍射透鏡1的諧衍射面加工在透鏡1的后表面上,以保護(hù)面型不受外界環(huán)境所污染。本實(shí)施例選擇設(shè)計(jì)波長(zhǎng)λ^為4.25μm,相位匹配因子ρ=2,諧振波長(zhǎng)分別為8.5μm、4.25μm,衍射級(jí)次分別為m=1、2,通過(guò)數(shù)學(xué)軟件MATLAB計(jì)算得出了3.74.8μm和812μm兩個(gè)諧振波段內(nèi)的衍射效率曲線,如圖3所示。從圖中可以看出,在工作波段3.74.8μπι、812μm內(nèi)系統(tǒng)的衍射效率高于75%,從而保證了系統(tǒng)的衍射能量要求。如圖4所示,由于制冷型焦平面探測(cè)器2存在冷光闌7,為了保證冷光闌效率為100%,在光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)時(shí),把冷光闌7設(shè)為系統(tǒng)的孔徑光闌。并通過(guò)控制諧衍射透鏡1和制冷型焦平面探測(cè)器2之間的距離ζ的變化來(lái)獲得3.74.8μm的光譜圖像。麗IR(3.74.8μm)通道的光學(xué)系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)參數(shù)為F數(shù)2,焦距為90mm(對(duì)于設(shè)計(jì)波長(zhǎng)4.25μm),全視場(chǎng)角為9°。如圖5所示,為了使得非制冷型焦平面探測(cè)器3獲得足夠的能量會(huì)聚,該通道的系統(tǒng)F數(shù)應(yīng)該盡可能的小,為了保證在光譜圖像掃描過(guò)程中系統(tǒng)的F數(shù)恒定,設(shè)計(jì)過(guò)程中,把系統(tǒng)的孔徑光闌6與非制冷型焦平面探測(cè)器3的感光面之間的間隔D固定。通過(guò)控制諧衍射透鏡1和孔徑光闌6之間的距離ζ'的變化來(lái)獲得812μπι的光譜圖像。LWIR(812μm)通道的光學(xué)系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)參數(shù)為F數(shù)1.5,焦距為92mm(對(duì)于設(shè)計(jì)波長(zhǎng)8.5μm),全視場(chǎng)角為10°。為了保證系統(tǒng)在優(yōu)化時(shí),MWIR(3.74.8μm)通道和LWIR(812μπι)通道同時(shí)具有好的成像質(zhì)量,在光學(xué)設(shè)計(jì)軟件中建立了多重結(jié)構(gòu),對(duì)雙通道的不同波長(zhǎng)同時(shí)進(jìn)行優(yōu)化,優(yōu)化后系統(tǒng)的具體參數(shù)如下表<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>從上表中可以看出諧衍射面是加在非球面為基底的曲面上的,優(yōu)化后諧衍射面的位相函數(shù)表達(dá)式為<formula>formulaseeoriginaldocumentpage5</formula>式中,η=1,2,3,…,240,表示環(huán)帶個(gè)數(shù)。通過(guò)計(jì)算可以求的諧衍射面的最小環(huán)帶間隔約為80μm,由于現(xiàn)在高精密金剛石車控技術(shù)的發(fā)展,在非球面基底上加這種尺寸的諧衍射面完全能夠滿足加工要求。權(quán)利要求一種MWIR/LWIR雙波段成像光譜儀,其特征在于包括設(shè)置在同一機(jī)體上的諧衍射透鏡(1)、在該諧衍射透鏡的出射光路上與其光軸平行設(shè)置的一臺(tái)制冷型焦平面探測(cè)器(2)和一臺(tái)前端設(shè)有孔徑光闌(6)的非制冷型焦平面探測(cè)器(3),通過(guò)視頻線與上述兩臺(tái)焦平面探測(cè)器(2、3)相連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng);所述的兩臺(tái)焦平面探測(cè)器(2、3)設(shè)置在一可沿垂直于所述諧衍射透鏡(1)光軸方向移動(dòng)的橫向滑臺(tái)(4)上,橫向滑臺(tái)(4)設(shè)置在可沿平行于諧衍射透鏡(1)光軸方向移動(dòng)的縱向滑臺(tái)(5)上,兩臺(tái)焦平面探測(cè)器(2、3)和諧衍射透鏡(1)的光軸處在同一水平面上,驅(qū)動(dòng)兩滑臺(tái)(4、5)的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)串行線與所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制相連。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的MWIR/LWIR雙波段成像光譜儀,其特征在于所述的諧衍射透鏡(1)的諧衍射面加工在透鏡1的后表面上,以保護(hù)面型不受外界環(huán)境所污染。全文摘要本發(fā)明涉及用于遙感探測(cè)
技術(shù)領(lǐng)域:
中的成像光譜儀,特別是一種折射/諧衍射MWIR/LWIR雙波段成像光譜儀。包括一諧衍射透鏡、在該諧衍射透鏡的出射光路上與其光軸平行設(shè)置的一臺(tái)制冷型焦平面探測(cè)器和一臺(tái)前端設(shè)有孔徑光闌的非制冷型焦平面探測(cè)器,通過(guò)視頻線與上述兩臺(tái)焦平面探測(cè)器相連接的計(jì)算機(jī)系統(tǒng);兩臺(tái)焦平面探測(cè)器設(shè)置在一橫向滑臺(tái)上,橫向滑臺(tái)設(shè)置在縱向滑臺(tái)上驅(qū)動(dòng)兩滑臺(tái)的步進(jìn)電機(jī)通過(guò)串行線與所述的計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制相連。通過(guò)MWIR和LWIR雙波段的光譜圖像將各波長(zhǎng)信息還原回目標(biāo)的光譜圖像??朔四壳皞鹘y(tǒng)的成像光譜儀存在的視場(chǎng)小、能量弱、光譜分辨率較低、結(jié)構(gòu)復(fù)雜等缺陷。文檔編號(hào)G01J3/02GK101813521SQ201010106888公開日2010年8月25日申請(qǐng)日期2010年2月9日優(yōu)先權(quán)日2010年2月9日發(fā)明者劉英,吳宏圣,孫強(qiáng),王健申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所