具体实施方式

本发明涉及的相关术语解释如下：

背景辐射：当红外探测系统观测目标时，目标辐射会和其他辐射一起进入到像面6上，把除目标以外的辐射都定义为背景辐射。

光谱仪：以光探测器测量谱线不同波长位置强度的装置，构造一般包括狭缝、准直系统、色散系统、汇聚系统以及光探测器。

低温光学系统：一个在很大温度范围内能正常工作，并且维持衍射极限成像的特殊光学系统。

本发明将倾斜双狭缝应用于低温环境下长波红外光谱仪光学系统的设计中，设计出一种新型光谱仪，在本发明的一实施例中，保证长波红外光谱仪在不引入额外装置的前提下，同时实现常温20℃装调，低温-173℃使用，采用本发明可以使系统的工作温度横跨193℃，有效地抑制系统的背景辐射。

如图4和图5所示，双狭缝长波红外光谱仪光学系统，包括第一倾斜狭缝 1、第二倾斜狭缝2、主镜3、次镜4和三镜5；其中，主镜3和三镜5均为球面反射镜，次镜4为一凹面镀有反射膜的曲面棱镜，主镜3、次镜4、三镜5形成 offner结构。

在常温20℃时，第一倾斜狭缝1、主镜3、次镜4、三镜5、长波红外光谱仪的像面6均处于第一光路；在低温-173℃时，第二倾斜狭缝2、主镜3、次镜4、三镜5、长波红外光谱仪的像面6均处于第二光路。

长波红外光谱仪的光学系统的全部光学元件只有五部分，即以Offner结构为基础的一个倾斜双狭缝，两个反射镜，一块曲面棱镜和一个红外探测器的像面 6。曲面棱镜的位置在Offner次镜4的位置不仅承担着系统中色散的作用，同时曲面棱镜凹面镀有反射膜还承担Offner次镜4的反射作用。

光学系统元件数量较少，全系统所有表面皆为球面，无特殊面型，降低了加工和检测难度，同时系统除了温度变化带来的热胀冷缩外无特殊移动机构，提高了系统的可靠性。在未牺牲系统像质，大温差应用环境的情况下，在一个系统中同时满足了常温装调，低温使用。采用倾斜双狭缝设计的新型长波红外光谱仪对探索低温光学系统的研究具有重要意义。

倾斜双狭缝承担着系统由于温度变化带来的严重的低温离焦，是整个设计中最重要的部分。当系统处于常温20℃装调时，光线经过第一倾斜狭缝1进入光学系统，主镜3将光线反射到曲面棱镜上，经过曲面棱镜色散后，同一束光被色散成不同波长，三镜5将分散的光线反射到长波红外光谱仪的像面6上。

当光学系统在常温20℃完成装调后，利用恒温器对系统进行降温到使用温度-173℃，第二倾斜狭缝2开始工作，工作路径与第一倾斜狭缝1相似，依次经过主镜3、曲面棱镜、三镜5成像到长波红外光谱仪的像面6。通过两个倾斜狭缝的设置，使系统在经历温度变化发生热胀冷缩后焦平面位置不发生改变，保证系统成像质量。倾斜双狭缝示意图如图6所示。

本实施例中，设计一台光谱范围为8um～12um、数值孔径为0.11、狭缝长度为60mm、色散宽度为1.2mm的光谱仪，装调温度为20℃，工作温度为-173℃。

系统在Zemax中的子午和弧矢结构如图4所示，狭缝作为全系统的物面发出一束光线，首先经过主镜3的反射，实现了光路的首次转折，光线到达曲面棱镜，由于在曲面棱镜的凹面镀有反射膜，因此光线经过曲面棱镜不仅实现了光的色散同时也改变了光线的方向，实现了光路的二次转折，从曲面棱镜出射的光线又一次经过曲面棱镜进行二次色散，色散后的光线经过三镜5实现了光路的三次转折，最终汇聚于长波红外光谱仪的像面6。

光学系统结构参数及倾斜双狭缝参数如下表1、表2所示。

表1系统结构参数

表2倾斜双狭缝参数

系统像质评价如下图6所示，在焦平面处由于温度变化带来严重的离焦，依赖于倾斜双狭缝的调节能力可以获得较好的像质，此为倾斜双狭缝存在的意义。分别选取20℃、-173℃的调制传递函数曲线(MTF)和标准点列图(SPT)，可以观察到全系统MTF均接近衍射极限，RMS弥散斑半径均在一个艾里斑半径内，系统具有较好的像质。

第一倾斜狭缝1与第二倾斜狭缝2之间存在间隔，这个间隔远大于狭缝的宽度，还可以在第一倾斜狭缝1与第二倾斜狭缝2之间至少一个第三倾斜狭缝，不仅可以测定装调温度和使用温度时系统的成像质量，还可以实现对系统质量的实时监控。

第三倾斜狭缝在附图中未示出，但并不影响本领域的技术人员对本发明的理解和实现。

本发明设计的双狭缝长波红外光谱仪，包括上述的光学系统。

为完成该光谱仪的设计，本发明提出一种方法用于设计该系统，即“逆光路追迹”方法，包括：

步骤一，在温度T1时，确定第一倾斜狭缝1、主镜3、次镜4、三镜5、长波红外光谱仪的像面6的位置。

步骤二，将温度降至T2，采用逆光路追迹法确定第二倾斜狭缝2的位置。

优选地，还包括步骤三，在第一倾斜狭缝1与第二倾斜狭缝2之间设置至少一个第三倾斜狭缝。

优选地，所述步骤一和/或步骤二中还包括：调整光学系统中的元件规格和/ 位置以使得光学系统获得期望的性能参数。

通过该方法并结合温度对系统的影响，求解系统经历低温后为保持探测器像面6位置不变，所对应的新狭缝的位置，然后在光学软件中优化，即可获得符合要求的结果。

逆光路追迹：

光路追迹是沿着光线实际传播方向，按照顺序依次通过各个光学元件，通过光路追迹往往获得光线最终成像在长波红外光谱仪探测器的像面6上的位置和信息。当系统完成常温T1下的优化设计后，对系统进行温度控制，温度变化会影响元件的折射率，曲率半径，厚度，间隔，表面面型，所在介质折射率，降低系统成像质量。逆光路追迹是指，根据光线具有可逆性，本发明以长波红外光谱仪探测器的像面6作为“虚拟物面”，与实际光线传播方向相反进行光路追迹，即可获得低温状态下第二倾斜狭缝2所在位置。

温度对光学系统的影响说明如下：

①元件折射率：n'_abs＝n_abs+Δn_abs

②元件曲率半径：R＝R₀(1+α_gΔT)

③元件厚度：d＝d₀(1+α_gΔT)

④元件间隔：D＝L+z′₁(h)-z'₂(h)

L＝L₀(1+α_mΔT)

h＝h₀(1+α_gΔT)

⑤元件表面面型：

⑥介质折射率：为了达到低温效果，一般将恒温仓抽成真空，则此时折射率为1

其中：

n′_abs——材料在低温下的折射率

n_abs——材料的绝对折射率

Δn_abs——当温度相对标准温度变化ΔT时，折射率的变化量

ΔT——为相对标准温度的温度变化差值，标准温度为20℃

R——温度变化ΔT后，元件的顶点曲率半径

R₀——在标准温度下，元件的顶点曲率半径

α_g——元件的热膨胀系数

d——温度变化ΔT后，元件的厚度

d₀——在标准温度下，元件的厚度

D——温度变化ΔT后，两个元件的中心间隔

L——温度变化ΔT后，两个元件的边缘间距

z₁′——温度变化ΔT后，元件的边缘点矢高

z₂′——温度变化ΔT后，元件的边缘点矢高

h——温度变化ΔT后，元件的半口径

h₀——在标准温度下，元件的半口径

L₀——在标准温度下，两个元件的边缘间距

α_m——机械结构的热膨胀系数

z₁——元件的表面矢高

c₁——元件的顶点曲率，等于1/R₀

r₁——表面到对称轴的距离

k——圆锥系数

a′_i——高次非球面系数，i＝1，2，3，4,……

正光路追迹原理图如图8(a)所示，逆光路追迹原理图如图8(b)所示。

已知入射光线入射点E₀(x₀,y₀,z₀)和入射方向元件的曲率半径R₁,R₂，间隔d，折射率n,n′，倾斜角θ，求出射点E₁(x₁,y₁,z₁)和出射方向

当逆光路依次逐面追迹光线在各点的位置后，最后利用Coodington Function求出子午和弧矢像距：

其中：

D＝l-t

l＝-α₀(d+x₀)-β₀y₀-γ₀z₀

M＝(x₀+lα₀+d,y₀+lβ₀,z₀+lγ₀)

Γ＝n′cosI′-ncosI

cosI＝α₀(cosθ-ρx₁)-β₀(sinθ+ρy₁)-γ₀ρz₁

D——中间参量，无意义，仅代表1-t

Γ——偏向常数

I——光线在元件表面的入射角

I′——光线在元件表面的折射角

t——子午方向物距

s——弧矢方向物距

t′——子午方向像距

s′——弧矢方向像距

R_s——弧矢方向曲率半径

R_t——子午方向曲率半径

n′——像方折射率

n——物方折射率

ρ——等于1/R，为元件表面曲率

l——两折射球面顶点间的距离在光线传播方向的投影

t——中间参量，无任何意义，引入仅为了计算

——由球面顶点O₁向入射光线作垂线，所表示的位置矢量

M_x——矢量在x方向分量

M_y——矢量在y方向分量

以上方法的设计总体流程图如图9所示。

具体而言，在低温长波红外光谱仪中，通过以下设计方法实现倾斜双狭缝光学系统设计：

评估背景辐射；

确定光学系统低温工作温度；

光学系统常温状态优化；

分析光谱仪常温性能；

光学系统低温参数计算；

光学系统低温状态优化；

分析光谱仪低温性能；

评估倾斜双狭缝的能力；

在性能满足要求时，输出设计的系统。

上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。