一种大相对孔径高光谱成像光学系统
阅读说明：本技术 一种大相对孔径高光谱成像光学系统 (High spectral imaging optical system with large relative aperture ) 是由 王保华 唐绍凡 徐彭梅 王伟刚 王杰 张秀茜 陈龙 石峰 贺瑞聪 刘宇翔 王媛媛 于 2021-06-02 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大相对孔径高光谱成像光学系统,包括：三狭缝组件、平面折转镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、凹面光栅和像面,三狭缝组件用于提升长波红外辐射的入射能量,提高高光谱成像系统的信噪比。目标辐射的长波红外谱段经三狭缝组件入射到平面折转镜,依次经第一透镜、第二透镜和第三透镜透射后,由第三透镜后表面入射到凹面光栅,经凹面光栅色散分光后反射第三透镜后表面,依次经第三透镜、第二透镜和第一透镜透射后汇聚到像面处。本发明可实现长波红外谱段三狭缝狭缝同时高光谱成像,提升长波红外高光谱成像仪的信噪比,具有相对孔径大、狭缝长、体积小、成像质量好等优点,可用于星载、平流层飞艇和机载红外高光谱成像领域。(The invention discloses a large relative aperture hyperspectral imaging optical system, which comprises: the three-slit component is used for improving the incident energy of long-wave infrared radiation and improving the signal-to-noise ratio of the hyperspectral imaging system. The long-wave infrared spectrum band of target radiation enters the plane turning mirror through the three slit components, is transmitted through the first lens, the second lens and the third lens in sequence, enters the concave grating from the rear surface of the third lens, is subjected to chromatic dispersion and light splitting through the concave grating, reflects the rear surface of the third lens, and is converged to the image surface after being transmitted through the third lens, the second lens and the first lens in sequence. The invention can realize simultaneous hyperspectral imaging of three slits of a long-wave infrared spectrum band, improves the signal-to-noise ratio of the long-wave infrared hyperspectral imager, has the advantages of large relative aperture, long slit, small volume, good imaging quality and the like, and can be used in the field of spaceborne, stratospheric airship and airborne infrared hyperspectral imaging.)
技术领域
本发明属于红外高光谱成像技术领域，尤其涉及一种大相对孔径高光谱成像光学系统。
背景技术
高光谱成像仪可同时获得目标的二维空间信息和一维光谱信息，长波红外高光谱成像不仅可以进行目标探测，还可以通过光谱成分识别实现定量化分析，在高精度温度反演、大气污染监测、地质灾害监测等方面应用需求迫切。目前，高光谱成像仪的工作谱段多集中在可见近红外谱段(0.4μm-1.0μm)和短波红外谱段(1.0μm-2.5μm)，用于长波红外谱段的高光谱成像较少，且不能同时高光谱分辨率、高空间分辨率和高温度分辨率性能要求，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。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种大相对孔径高光谱成像光学系统，具有能量利用率高、相对孔径大、狭缝长和体积小的特点，满足多种遥感应用需求。
本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种大相对孔径高光谱成像光学系统，包括：三狭缝组件、平面折转镜、第一透镜、第二透镜、第三透镜、凹面光栅和像面；其中，目标辐射的长波红外同时经三狭缝组件入射到平面折转镜，经反射后入射到第一透镜，经第一透镜的前表面和后表面透射后入射到第二透镜，经第二透镜的前表面和后表面透射后入射到第三透镜，经第三透镜的前表面和后表面透射后入射到凹面光栅，经凹面光栅色散分光后反射到第三透镜的后表面，依次经第三透镜、第二透镜和第一透镜透射后成像到像面处。
上述大相对孔径高光谱成像光学系统中，所述长波红外谱段范围为8μm～12.5μm，光谱分辨率为100nm。
上述大相对孔径高光谱成像光学系统中，所述大相对孔径高光谱成像光学系统的相对孔径为1/2，空间放大倍率为1。
上述大相对孔径高光谱成像光学系统中，所述三狭缝组件由3个相同的单通光狭缝装置平行排列组成；其中，每个单通光狭缝装置的长度为24mm，宽度为32μm；相邻单通光狭缝装置之间的间隔为1.6mm。
上述大相对孔径高光谱成像光学系统中，所述平面折转镜的材料为铝，与入射光线成45°放置。
上述大相对孔径高光谱成像光学系统中，所述第一透镜的材料为ZnS，所述第一透镜的前表面为六次非球面，所述第一透镜的后表面为球面。
上述大相对孔径高光谱成像光学系统中，所述第二透镜的材料为ZnSe，所述第二透镜的前表面为六次非球面，所述第二透镜的后表面为球面。
上述大相对孔径高光谱成像光学系统中，所述第三透镜的材料为ZnS，所述第三透镜的前表面为六次非球面，所述第三透镜的后表面为球面。
上述大相对孔径高光谱成像光学系统中，所述凹面光栅表面刻蚀闪耀槽，并镀金膜。
上述大相对孔径高光谱成像光学系统中，所述像面由3个区域组成，每个区域的面积为24mm×1.44mm，三个区域之间的间隔为0.16mm。
本发明与现有技术相比具有如下有益效果：
(1)本发明具有能量利用率高、相对孔径大、狭缝长和体积小的特点，满足多种遥感应用需求；
(2)本发明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；
(3)本发明系统相对孔径为1/2，采用三入射狭缝进一步提升长波红外辐射能量收集能力，实现三入射狭缝同时高光谱成像，大幅提升了红外高光谱成像系统的温度分辨率；
(4)本发明系统体积为Φ44mm×90mm，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，降低制冷所需的功耗，满足多个遥感平台的使用要求。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1是本发明实施例提供的大相对孔径高光谱成像光学系统的示意图；
图2是本发明实施例提供的三狭缝组件的空间布局示意图；
图3是本发明实施例提供的像面上的成像分布示意图；
图4(a)是本发明实施例提供的成像区域1在8μm、10.25μm和12.5μm波长的点列图；
图4(b)是本发明实施例提供的成像区域2在8μm、10.25μm和12.5μm波长的点列图；
图4(c)是本发明实施例提供的成像区域3在8μm、10.25μm和12.5μm波长的点列图。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施例。虽然附图中显示了本公开的示例性实施例，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施例所限制。相反，提供这些实施例是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。
如图1所示，本实施例提供了一种长波红外三狭缝Dyson高光谱成像光学系统，相对孔径为1/2，工作谱段为8μm～12.5μm，光谱分辨率为100nm，系统包括三狭缝组件E1、平面折转镜E2、第一透镜E3、第二透镜E4、第三透镜E5、凹面光栅E6和像面E7。
目标辐射的长波红外同时经三狭缝组件E1入射到平面折转镜E2，经反射后入射到第一透镜E3，经第一透镜E3的前表面S1和后表面S2透射后入射到第二透镜E4，经第二透镜E4的前表面S3和后表面S4透射后入射到第三透镜E5，经第三透镜E5的前表面S5和后表面S6透射后入射到凹面光栅E6，经凹面光栅E6色散分光后反射到第三透镜E5的后表面S6，依次经第三透镜E5、第二透镜E4和第一透镜E3透射后成像到像面E7处，入射光线两次经过第一透镜E3、第二透镜E4和第三透镜E5，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4.64mm。
通过优化第一透镜、第二透镜、第三透镜表面的非球面系数、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Φ44mm×90mm内。
平面折转镜的材料为铝，表面镀增反膜，在8μm～12.5μm谱段范围内的反射率＞98.5％。
第一透镜和第三透镜的材料均为ZnS，前后表面均镀增透膜，在8μm～12.5μm谱段范围内的反射率＞98.5％。
第二透镜的材料均为ZnSe，前后表面均镀增透膜，在8μm～12.5μm谱段范围内的反射率＞98.5％。
凹面光栅表面域刻蚀闪耀槽，槽的长度方向与系统弧矢方向平行，刻槽密度为6.3lp/mm，衍射级次为1，表面镀金膜，在8μm～12.5μm谱段范围内的效率＞70％。
如图2所示，三狭缝组件由3个单通光狭缝平行排列组成，沿﹢Y方向依次为狭缝3、狭缝2和狭缝1，各通光狭缝的中心在Y方向的高度分别为-1.6mm、0mm、1.6mm。单个通光狭缝长度为24mm，宽度为32μm，三狭缝组件的总宽度为3.2mm。
如图3所示，长波红外辐射经光学系统成像后的像面由3个成像区域组成，沿﹢Y方向依次为成像区域1、成像区域2、成像区域3，其中成像区域1对应通光狭缝3的成像谱面，成像区域2对应通光狭缝2的成像谱面，成像区域3对应通光狭缝1的成像谱面。各成像区域的长度为24mm，宽度为1.44mm，成像区域之间的间隔为0.16mm。
如图4(a)、图4(b)和图4(c)所示，长波红外辐射经光学系统成像后的成像质量接近衍射极限。
如图4(a)所示为成像区域1在8μm、10.25μm和12.5μm波长的点列图。
如图4(b)所示为成像区域2在8μm、10.25μm和12.5μm波长的点列图。
如图4(c)所示为成像区域3在8μm、10.25μm和12.5μm波长的点列图。
表1、长波红外三狭缝Dyson高光谱成像光学系统设计参数
本发明具有能量利用率高、相对孔径大、狭缝长和体积小的特点，满足多种遥感应用需求；本发明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；本发明系统相对孔径为1/2，采用三入射狭缝进一步提升长波红外辐射能量收集能力，实现三入射狭缝同时高光谱成像，大幅提升了红外高光谱成像系统的温度分辨率；本发明系统体积为Φ44mm×90mm，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，降低制冷所需的功耗，满足多个遥感平台的使用要求。
本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。
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