基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀的制作方法
【技術領域】
[0001 ]本發(fā)明屬于光學技術領域，涉及一種制冷型高光通量長波紅外成像光學系統(tǒng)，具 體涉及一種基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀。
【背景技術】
[0002] 成像光譜儀是在多光譜遙感成像技術基礎上發(fā)展起來的新型空間大氣光學遙感 儀器，它能夠以高光譜分辨率獲取目標的超多譜段。工作于長波紅外波段(8~12μπι)的成像 光譜儀保密性好、可晝夜連續(xù)工作、受天氣影響較小、抗干擾能力強，在物質(zhì)探測識別方面 具有明顯的優(yōu)勢。由于長波紅外波段的遙感信號較弱，這就要求長波紅外成像光譜儀的光 學系統(tǒng)具有較高的光通量，與此同時，為了獲得較高的信噪比，還需要對探測器進行制冷。
[0003] 離軸三反光學系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，可以實現(xiàn)較高的光通量，光譜范圍寬，沒有光線遮 攔，結(jié)構(gòu)采用反射式，避免了色差，且結(jié)構(gòu)自由度較大，可以為后續(xù)的光譜儀系統(tǒng)提供理想 的狹縫的像。
[0004] 基于同心結(jié)構(gòu)的光柵光譜儀結(jié)構(gòu)簡單緊湊，體積小、重量輕，數(shù)值孔徑大，譜線彎 曲和譜帶彎曲小，近年來受到了越來越廣泛的關注。其中，Dyson結(jié)構(gòu)體積及光通量方面的 優(yōu)勢更為突出，可以很好地滿足長波紅外波段對光譜儀的要求。
[0005] Dyson結(jié)構(gòu)為折反式，不同波長處的出瞳位置由于折射率的不同而相距較遠，在實 現(xiàn)冷光闌匹配的問題上具有一定難度。現(xiàn)有技術中，通過對光譜儀和探測器共同封裝置冷 的方法，將冷光闌置于狹縫之前，回避了冷光闌不匹配的問題，但是這種方法要求較大體積 的制冷設備，以及更多維持低溫所需要的能源供應。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的在于提出一種基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀，解決 現(xiàn)有技術存在的要求制冷設備體積大和維持低溫所需能源多的問題。
[0007] 為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀包括：
[0008] 離軸三反前置望遠物鏡，所述離軸三反前置望遠物鏡包括三片反射鏡和狹縫，三 片反射鏡將目標景物輻射信息成像在狹縫處；
[0009] 將所述狹縫處所成的像按不同波長色散并將包含有多光譜信息的像成像于一次 像面處的Dyson光柵光譜儀，所述Dyson光柵光譜儀包括平凸厚透鏡、非球面矯正鏡和凹面 反射光柵，光線從狹縫入射，依次經(jīng)過平凸厚透鏡和非球面矯正鏡后，由凹面反射光柵反射 并分光，再依次經(jīng)非球面矯正鏡和平凸厚透鏡聚焦在一次像面處；
[0010] 和二次成像鏡組，所述二次成像鏡組將距離一次像面較遠位置且不同波長處相距 較遠的出瞳，二次成像于探測器冷光闌處;所述二次成像鏡組包括一面帶有非球面的半月 形透鏡、兩面都是球面的半月形透鏡和一面帶有非球面的凸透鏡，一次像面處的光線依次 經(jīng)一面帶有非球面的半月形透鏡和兩面都是球面的半月形透鏡發(fā)散，再經(jīng)一面帶有非球面 的凸透鏡會聚于探測器處。
[0011] 所述三片反射鏡均為六次非球面反射鏡，具體包括六次非球面反射鏡A、六次非球 面反射鏡B和六次非球面反射鏡C，目標景物輻射信息依次經(jīng)六次非球面反射鏡A的凹球面、 六次非球面反射鏡B的凸球面和六次非球面反射鏡C的凹球面反射成像在所述狹縫處。
[0012] 所述六次非球面反射鏡B為離軸三反前置望遠物鏡的光闌，所述六次非球面反射 鏡B位于所述六次非球面反射鏡C焦平面附近。
[0013]所述制冷型長波紅外成像光譜儀還包括轉(zhuǎn)折鏡面A，狹縫處的出射光線經(jīng)轉(zhuǎn)折鏡 面A入射到Dyson光柵光譜儀中。
[0014]所述二次成像鏡組還包括轉(zhuǎn)折鏡面B，一次像面處的光線依次經(jīng)一面帶有非球面 的半月形透鏡和兩面都是球面的半月形透鏡發(fā)散后，經(jīng)轉(zhuǎn)折鏡面B入射到一面帶有非球面 的凸透鏡，再經(jīng)一面帶有非球面的凸透鏡會聚于探測器處。
[0015]所述探測器為制冷型HgCdTe探測器，所述冷光闌位于探測器焦平面前方20mm處。
[0016]所述平凸厚透鏡的材料為ZnSe。
[0017]所述二次成像透鏡組中的一面帶有非球面的半月形透鏡、兩面都是球面的半月形 透鏡和一面帶有非球面的凸透鏡的材料為Ge。
[0018] 本發(fā)明的有益效果為:本發(fā)明的基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀中 的前置望遠物鏡接收目標景物的輻射信息，并將它們成像于狹縫處，通過Dyson光譜儀將狹 縫處的像按不同波長色散并將包含有多光譜信息的像成于一次像面處，通過二次成像鏡組 將位于較遠位置且相距較遠的不同波長的出瞳，二次成像于探測器冷光闌處;采用二次成 像的方法，以1〇μπι為中心波長，將不同波長下相距較遠的系統(tǒng)出瞳，二次成像于探測器冷光 闌位置，實現(xiàn)了 100%的冷光闌效率，進而滿足單獨對探測器進行制冷的技術要求。
【附圖說明】
[0019]圖1為本發(fā)明的基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀中離軸三反望遠物 鏡結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖2為本發(fā)明的基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀中離軸三反望遠物 鏡像面處的點列圖；
[0021]圖3為本發(fā)明的基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀中Dyson結(jié)構(gòu)的光譜 儀結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖4為本發(fā)明的基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀中二次成像前的成 像光譜儀示意圖；
[0023]圖5為本發(fā)明的基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀中二次成像原理示 意圖；
[0024]圖6為本發(fā)明的基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀中理想透鏡二次成 像光譜儀示意圖；
[0025]圖7為本發(fā)明的基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀中二次成像透鏡組 結(jié)構(gòu)示意圖；
[0026]圖8為本發(fā)明的基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀整體結(jié)構(gòu)示意圖；[0027]圖9為本發(fā)明的基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀的分辨率示意圖； [0028]其中：1、六次非球面反射鏡A，2、六次非球面反射鏡B，3、六次非球面反射鏡C，4、狹 縫，5、平凸厚透鏡，51、平凸厚透鏡入射面，52、平凸厚透鏡出射面，6、非球面矯正鏡，61、非 球面矯正鏡入射面，62、非球面矯正鏡出射面，7、凹面反射光柵，8、一次像面，9、理想透鏡 組，901、一面帶有非球面的半月形透鏡，9011、一面帶有非球面的半月形透鏡入射面，9012、 一面帶有非球面的半月形透鏡出射面，902、兩面都是球面的半月形透鏡，9021、兩面都是球 面的半月形透鏡入射面，9022、兩面都是球面的半月形透鏡出射面，903、一面帶有非球面的 凸透鏡，9031、一面帶有非球面的凸透鏡入射面，9032、一面帶有非球面的凸透鏡出射面， 10、冷光闌，11、二次像面，12、轉(zhuǎn)折鏡面A，13、轉(zhuǎn)折鏡面B。
【具體實施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的實施方式作進一步說明。
[0030]參見附圖8,本發(fā)明的基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長波紅外成像光譜儀包括離軸三反 前置望遠物鏡、Dyson光柵光譜儀、二次成像鏡組和探測器；
[0031]參見附圖1，所述離軸三反前置望遠物鏡包括三片反射鏡和狹縫4,三片反射鏡將 目標景物輻射信息成像在狹縫4處;所述三片反射鏡為六次非球面反射鏡，具體包括六次非 球面反射鏡A1、六次非球面反射鏡B2和六次非球面反射鏡C3，目標景物輻射信息依次經(jīng)六 次非球面反射鏡A1的凹球面、六次非球面反射鏡B2凸球面和六次非球面反射鏡C3凹球面反 射成像在所述狹縫4處;所述六次非球面反射鏡B2為離軸三反前置望遠物鏡的光闌，所述六 次非球面反射鏡B2位于所述六次非球面反射鏡C3焦平面附近;先設計符合要求的同軸三反 結(jié)構(gòu)，之后對各反射鏡鏡面進行合理的離軸和偏轉(zhuǎn)，以保證光線的互不遮擋。與此同時，通 過控制六次非球面反射鏡A1鏡面和六次非球面反射鏡B2鏡面間的距離與六次非球面反射 鏡B2鏡面和六次非球面反射鏡C3鏡面間的距離之和的范圍，來保證結(jié)構(gòu)較好的對稱性并且 為使主光線垂直入射到光譜儀，需保證離軸三反望遠物鏡中的主光線垂直狹縫4。最后，通 過Zemax優(yōu)化得到離軸三反望遠物鏡的最佳結(jié)構(gòu)，出瞳位于較遠的-404mm處。
[0032]參見附圖2,離軸三反望遠物鏡的點列圖，其中圓圈代表著艾里斑，可見各視場下 的景物都能夠?qū)崿F(xiàn)理想成像。
[0033]參見附圖3,所述Dyson光柵光譜儀將所述狹縫4處所成的像按不同波長色散并將 包含有多光譜信息的像成像于一次像面8處，所述Dyson光柵光譜儀包括平凸厚透鏡5、非球 面矯正鏡6和凹面反射光柵7,光線從狹縫4入射，依次經(jīng)過平凸厚透鏡5和非球面矯正鏡6發(fā) 散后，由凹面反射光柵7反射并分光，再依次經(jīng)非球面矯正鏡6和平凸厚透鏡5聚焦在一次像 面8處;非球面矯正鏡6的引入，是為了矯正由狹縫4和探測器與平凸厚透鏡5后表面分離而 產(chǎn)生的球差。
[0034]參見附圖4