一种高通量长波红外高光谱成像光学系统技术方案

一种高通量长波红外高光谱成像光学系统，包括4通量入射狭缝、自由曲面弯月透镜、凹面反射镜和带通滤光片组成，自由曲面弯月透镜的前表面和后表面均为自由曲面，其中后表面由三部分区域组成，中心为圆形光栅色散分光区域，外部环形区域为透射区域，中间环形区域为过渡区域。目标辐射的长波红外经4通量入射狭缝入射到自由曲面透镜的前表面，经自由曲面透镜的后表面透射后入射到凹面反射镜，经反射后入射到自由曲面透镜后表面的光栅色散区域，经色散分光后再次反射到凹面反射镜，依次经自由曲面弯月透镜的后表面和前表面透射后入射到带通滤光片的前表面，依次经带通滤光片的前表面和后表面透射后汇聚到像面处。表面透射后汇聚到像面处。表面透射后汇聚到像面处。

【技术实现步骤摘要】
一种高通量长波红外高光谱成像光学系统


[0001]本专利技术属于红外高光谱成像领域，特别涉及一种高通量长波红外高光谱成像光学系统。

技术介绍

[0002]高光谱成像仪具有同时探测目标二维空间信息和一维光谱信息的优点，长波红外高光谱成像与长波红外单谱段、多光谱成像相比可以有效提升地表温度测量精度，实现大气污染成分、矿产资源等的定量化探测，在环境保护、应急灾害监测与评估、火灾隐患监测、矿物勘探等领域具有广泛的应用前景。目前，长波红外高光谱成像系统存在以下两个主要问题，严重限制了其在遥感领域的应用：其一，各应用领域对红外高光谱成像系统的空间分辨率和光谱分辨率提出了更高的要求，现有的红外高光谱成像系统在满足空间分辨率和光谱分辨率的条件下导致了温度分辨率降低，从而不能实现高精度地表温度测量；其二，由于长波红外高光谱成像光学系统的相对孔径较大，传统的设计方法导致长波红外高光谱成像光学系统的体积较大，无法满足较小平台的使用要求。因此，提出一种具有高通量、大相对孔径、大视场和轻小型的长波红外高光谱成像光学系统十分具有价值。

技术实现思路

[0003]针对目前长波红外高光谱成像光学系统存在的技术问题，本专利技术提出了一种高通量长波红外高光谱成像光学系统，具有高通量、大相对孔径、大视场和体积小的特点，满足多种遥感应用需求。
[0004]本专利技术的技术方案是：一种高通量长波红外高光谱成像光学系统，包括四通量入射狭缝E1、自由曲面弯月透镜E2、凹面反射镜E3和带通滤光片E4；
[0005]目标辐射的长波红外经四通量入射狭缝E1入射到自由曲面透镜E2的前表面S1，再经自由曲面透镜E2的后表面S2透射后入射到凹面反射镜E3，反射后入射到自由曲面透镜E2的前表面S1的光栅色散区域，经色散分光后再次反射到凹面反射镜E3，再依次经自由曲面弯月透镜E2的后表面S2和前表面S1透射后入射到带通滤光片E4的前表面S4，再依次经带通滤光片E4的前表面S4和后表面S5透射后汇聚到像面处，实现高通量长波红外谱段高光谱成像。
[0006]所述的长波红外的谱段范围为8μm～12.5μm，光谱分辨率为100nm。
[0007]所述四通量入射狭缝E1由四个相同的单通光狭缝装置平行排列组成，单通光狭缝装置的长度为24mm，宽度为32μm，单通光狭缝装置之间的间隔为1.76mm。
[0008]所述自由曲面弯月透镜E2的前表面S1和后表面S2均为十五项Zernike多项式自由曲面，且不具有旋转对称性。
[0009]所述自由曲面弯月透镜E2的后表面S2由三部分区域组成，中间为圆形光栅色散分光区域，关于光轴旋转对称，直径为Φ17mm，该区域刻蚀与系统弧矢方向平行的直线槽，刻线密度为8.4lp/mm，衍射级次为
‑
1；自由曲面弯月透镜E2的后表面S2的外部环形区域为透
射区域，透射区域外径为Φ72mm，内径为Φ19mm；自由曲面弯月透镜E2的后表面S2的内部环形区域为过渡区域，过渡区域外径为Φ19mm，内径为Φ17mm。
[0010]所述带通滤光片E4和自由曲面弯月透镜E2均采用ZnSe材料。
[0011]所述带通滤光片E4的前表面S4和后表面S5均镀制滤光膜，8μm～12.5μm谱段透过率大于0.92，其他谱段透过率小于0.5％。
[0012]所述自由曲面弯月透镜E2的前表面S1和后表面S2的透射区域镀制增透膜，8μm～12.5μm谱段透过率大于0.985；后表面S2的光栅色散区域镀制增反膜，8μm～12.5μm谱段反射率率大于0.985；后表面S2的过渡区域镀制消光漆，8μm～12.5μm谱段消光系数大于0.98。
[0013]所述凹面反射镜E3采用铝材料，前面表镀制增反膜，8μm～12.5μm谱段反射率大于0.985.
[0014]本专利技术与现有技术相比的有益效果在于：
[0015](1)本专利技术系统可实现长波红外8μm～12.5μm谱段范围的高光谱成像，光谱分辨率100nm，共45个谱段，解决现有长波红外成像谱段少的问题，有效满足多个领域对长波红外高光谱成像的应用需求。
[0016](2)本专利技术系统采用4通量入射狭缝进行长波红外辐射能量收集，实现4通量入射狭缝同时高光谱成像，与现有成像系统相比，系统集光能力提升4倍，大幅提升了红外高光谱成像系统的温度分辨率。
[0017](3)本专利技术系统涉及的自由曲面弯月透镜前表面和后表面透射区域均为15项泽尼克多项式自由曲面，将系统体积减小到60mm
×
90mm
×
80mm，具有简单紧凑、小型化的优点，有利于实现系统的轻量化设计，满足多个遥感平台的使用要求。
[0018](4)本专利技术系统涉及的自由曲面弯月透镜后表面由光栅色散分光区域、透射区域和过渡区域三部分组成，三部分加工在同一个ZnSe材料基底上，有利于减少光学元件数量，提升光学系统的透过率，降低光学系统装调难度，具有工程可行性好的优点。
附图说明
[0019]图1为本专利技术一种高通量长波红外高光谱成像光学系统图；
[0020]图2为本专利技术自由曲面弯月透镜后表面三部分区域的分布示意图；
[0021]图3为本专利技术4通量入射狭缝的空间布局示意图。
[0022]图4为本专利技术成像分布示意图。
[0023]图5为本专利技术光学系统的成像质量，各通光狭缝在不同波长下的点列图；其中，图5(a)所示为成像区域1在8μm、10.25μm和12.5μm波长的点列图。图5(b)所示为成像区域2在8μm、10.25μm和12.5μm波长的点列图。图5(c)所示为成像区域3在8μm、10.25μm和12.5μm波长的点列图。图5(d)所示为成像区域4在8μm、10.25μm和12.5μm波长的点列图。
具体实施方式
[0024]下面结合附图对实施例作详细的实施方式说明：
[0025]如图1所以，本专利一种高通量长波红外高光谱成像光学系统，相对孔径为1/2.5，工作谱段为8μm～12.5μm，光谱分辨率为100nm，系统包括4通量入射狭缝、自由曲面弯月透镜、凹面反射镜和带通滤光片。目标辐射的长波红外谱段经4通量入射狭缝入射到自由曲面
弯月透镜，经自由曲面弯月透镜透射后入射到凹面反射镜，经反射后入射到自由曲面透镜后表面的光栅色散区域，经色散分光后再次反射到凹面反射镜，再经自由曲面弯月透镜透射后入射到带通滤光片，依次经带通滤光片的前表面和后表面透射后汇聚到像面处，实现8μm～12.5μm谱段高光谱成像，光谱分辨率为100nm，单通光入射狭缝像的色散范围为1.44mm，像面上总的分布范围为6.72mm。
[0026]通过优化自由曲面弯月透镜前表面和后表面的15项Zernike系数、凹面反射镜的顶点曲率半径以及各元件之间的间隔，光学系统的成像质量接近衍射极限，同时将系统的体积压缩到60mm
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90mm
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80mm。
[0027]凹面反射镜的材料为铝本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高通量长波红外高光谱成像光学系统，其特征在于：包括四通量入射狭缝E1、自由曲面弯月透镜E2、凹面反射镜E3和带通滤光片E4；目标辐射的长波红外经四通量入射狭缝E1入射到自由曲面透镜E2的前表面S1，再经自由曲面透镜E2的后表面S2透射后入射到凹面反射镜E3，反射后入射到自由曲面透镜E2的前表面S1的光栅色散区域，经色散分光后再次反射到凹面反射镜E3，再依次经自由曲面弯月透镜E2的后表面S2和前表面S1透射后入射到带通滤光片E4的前表面S4，再依次经带通滤光片E4的前表面S4和后表面S5透射后汇聚到像面处，实现高通量长波红外谱段高光谱成像。2.根据权利要求1所述的一种高通量长波红外高光谱成像光学系统，其特征在于：所述的长波红外的谱段范围为8μm～12.5μm，光谱分辨率为100nm。3.根据权利要求1所述的一种高通量长波红外高光谱成像光学系统，其特征在于：所述四通量入射狭缝E1由四个相同的单通光狭缝装置平行排列组成，单通光狭缝装置的长度为24mm，宽度为32μm，单通光狭缝装置之间的间隔为1.76mm。4.根据权利要求1所述的一种高通量长波红外高光谱成像光学系统，其特征在于：所述自由曲面弯月透镜E2的前表面S1和后表面S2均为十五项Zernike多项式自由曲面，且不具有旋转对称性。5.根据权利要求4所述的一种高通量长波红外高光谱成像光学系统，其特征在于：所述自由曲面弯月透镜E2的后表面S2由三部分区域组成，中间为圆...

【专利技术属性】
技术研发人员：王保华，陈龙，马龙，石峰，王伟刚，唐绍凡，徐彭梅，林招荣，周振华，鄢南兴，钟灿，赵鑫，
申请(专利权)人：北京空间机电研究所，
类型：发明
国别省市：