一種長波成像光譜儀低溫模型及其裝調(diào)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及遙感探測領(lǐng)域中的成像光譜儀，具體是指一種用于機載或星載的長波 紅外成像光譜儀的低溫模型及其裝調(diào)方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 上世紀(jì)九十年代開始，美國率先開展了熱紅外譜段成像光譜儀的研制，代表儀器 有：1996年，美國研制的SEBASS機載紅外高光譜成像儀，含有長波7. 5~13. 5 μπι譜段， 光譜采樣為50nm，瞬時視場為lmrad，整個光路用液氦制冷。1997年，美國研制的TIRIS-I 機載熱紅外成像光譜儀，工作波段為7. 5~14. 0 μ m，64個光譜波段，100 μ m的光譜采樣， 3. 6mrad的空間分辨率，使用平面光柵分光，定制的線性漸變?yōu)V光片安裝在焦平面上抑制背 景輻射。之后繼續(xù)研制完成了 TIRIS-II和TIRIS-III。2003年，美國NGST研制完成LWHIS 長波紅外高光譜成像光譜儀，推帚式成像，工作波段8~12. 5 μ m，光譜波段128個，瞬時視 場0. 9為mrad，全視場6. 6°，可用于地面和機載成像，三反射鏡望遠(yuǎn)物鏡，F(xiàn)數(shù)2. 5,平面光 柵分光，35nm的光譜分辨率，探測器是256 X 256元，40 μ m焦平面列陣，合并成128 X 128應(yīng) 用，整個系統(tǒng)安裝在內(nèi)表面鍍金的真空室內(nèi)，F(xiàn)PA斯特林機制冷到63K，光機子系統(tǒng)制冷到 100K以下。近來的代表儀器有：2006年，美國JPL實驗室研制的QWEST紅外成像光譜儀， 工作波段為8~9 μ m，后期將擴展到8~12 μ m工作波段。緊湊的光學(xué)系統(tǒng)采用透射式物 鏡，光譜儀采用Dyson同心設(shè)計，凹面光柵分光，光譜儀光機整體制冷至40K抑制雜散熱輻 射。狹縫寬度為50 μ m，8~12 μ m范圍內(nèi)光譜通道數(shù)256個，總視場40°。2011年，MAKO 成像光譜儀工作波段7. 8~13. 4 μ m，結(jié)構(gòu)與QWEST類似，成像光譜儀前方加了一個3. 66倍 的TM望遠(yuǎn)鏡提高空間分辨率，光譜儀也采用Dyson同心設(shè)計，凹面光柵分光，望遠(yuǎn)鏡之后 的成像光譜儀光機整體制冷抑制雜散熱輻射。我國在2009年，研制了一臺長波成像光譜儀 的原理樣機，采用光機整體制冷。
[0003] 綜上可知，在長波紅外波段，精細(xì)分光后，每個波段的信號更小，抑制背景輻射非 常必要。為進(jìn)一步提升長波成像光譜儀的性能，提高信噪比，抑制儀器自身的長波輻射是長 波成像光譜儀的關(guān)鍵技術(shù)之一。所采用的措施，一是采用背景抑制濾光片，二是對儀器進(jìn)行 制冷，將輻射極值移到8 μ m以下，降低8~14 μ m譜段的背景輻射。由于背景輻射與溫度 成四次方的關(guān)系，因此對光機子系統(tǒng)進(jìn)行整機制冷，是抑制背景提高等效噪聲溫差最有效 的方式。然而，對光機子系統(tǒng)進(jìn)行整機制冷帶來的后果之一是儀器的體積、重量和功耗顯著 增大，之二是低溫光學(xué)裝調(diào)難度的增大和裝調(diào)精度的降低。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 本發(fā)明解決的技術(shù)問題是：基于上述已有技術(shù)存在的一些問題，本發(fā)明的目的是 建立一種長波成像光譜儀低溫模型，并給出相應(yīng)的裝調(diào)方法。
[0005] 本發(fā)明的模型如圖1所示。長波成像光譜儀低溫模型由望遠(yuǎn)成像鏡1、冷箱2、光 譜儀3和焦面組件4組成。望遠(yuǎn)成像鏡1常溫，光譜儀3真空制冷。來自物方的輻射經(jīng)望 遠(yuǎn)成像鏡I，穿過冷箱窗口 3-1，進(jìn)入冷箱2內(nèi)的光譜儀3,會聚到視場光闌3-3上，再發(fā)射至 光學(xué)模塊3-4,經(jīng)其分光成像，經(jīng)過焦平面組件4的濾光片4-1，會聚到光敏面4-3上。
[0006] 所述的望遠(yuǎn)成像鏡1為透射鏡頭，常溫使用，不制冷。望遠(yuǎn)成像鏡1的出瞳在后方， 也是冷箱2內(nèi)的光譜儀3的入瞳所在，與冷箱窗口 3-1接近，利于系統(tǒng)冷箱的冷光學(xué)設(shè)計以 降低背景輻射影響。要求望遠(yuǎn)成像鏡1的機械鏡筒相對于視場光闌3-3軸向連續(xù)可調(diào)，調(diào) 節(jié)精度〇. 〇〇5_，其外表面金屬原色，內(nèi)表面發(fā)黑處理。
[0007] 所述的冷箱2,其內(nèi)外表面金屬原色，有兩個孔。一個入孔用于裝配冷箱窗口 3-1， 一個出孔用于裝配與焦面組件4相連的柔性連接件。通過與其相連的真空和制冷控制系統(tǒng) 實現(xiàn)真空制冷。
[0008] 所述的光譜儀3,由冷箱窗口 3-1、冷屏罩3-2、視場光闌3-3、光學(xué)模塊3-4和光學(xué) 底板3-5組成。冷箱窗口 3-1是光譜儀3的入瞳所在，為一片透過8-12. 5 μπι的紅外平片。 冷屏罩3-2罩住視場光闌3-3、光學(xué)模塊3-4和光學(xué)底板3-5,其外表面鍍金，內(nèi)表面發(fā)黑， 利于阻止外來輻射，勻化內(nèi)部輻射和雜光。視場光闌3-3是一個機械空氣狹縫，其材質(zhì)與 光學(xué)元件的相同，表面發(fā)黑，在狹縫錐形槽內(nèi)的超薄表面上激光刻蝕而成，狹縫厚度0. 07mm 以內(nèi)，狹縫線性3 μ m以內(nèi)。光學(xué)模塊3-4是一個往返復(fù)用的偏軸全反射系統(tǒng)，兼具準(zhǔn)直和 會聚的功能；采用光機一體化設(shè)計，鏡體和鏡座均采用鋁材料，便于高精度車削加工；鏡體 和鏡座的安裝面平面度小于〇. 〇〇5mm，鏡座與光學(xué)底板3-5的安裝面平面度優(yōu)于0. 008mm ; 鏡體和鏡座采用同種材料，熱膨脹性能一致，不會發(fā)生嚴(yán)重溫變離焦而影響分辨率的現(xiàn)象， 同時利于保持光譜儀在制冷前后的光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)和性能；鏡體光學(xué)面鍍金反射膜，其余面 及鏡座各面發(fā)黑。光學(xué)底板3-5,與光學(xué)模塊3-4相連的一面發(fā)黑處理，與光學(xué)模塊3-4的 裝配面平面度小于0. 008mm ;其余面金屬原色；與冷箱2之間用隔熱材料相連。
[0009] 所述的焦面組件4,本身制冷到60K以下，由濾光片4-1、冷屏4-2、光敏面4-3和 制冷機等組成。濾光片4-1，粘接在冷屏4-2的前端面上，其尺寸要求從光敏面4-3上看不 見冷屏4-2內(nèi)表面；濾光片4-1是一個帶通濾光片，光譜要求低溫60K能截止7. 8 μ m之前 和13 μ m之后的輻射。冷屏4-2是放樣矩形錐零件，內(nèi)表面要求高吸收發(fā)黑處理，外表面發(fā)
[0010] 所述的冷箱內(nèi)的光譜儀3和焦面組件4之間有一個柔性連接件，在真空制冷情況 下，調(diào)節(jié)焦面組件4,以實現(xiàn)成像光譜儀的低溫裝調(diào)。
[0011] 所述的一種長波成像光譜儀低溫模型，其裝調(diào)方法是：1)、常溫裝配望遠(yuǎn)成像鏡 1 ;2)、常溫裝調(diào)光譜儀3 ;3)、常溫裝配柔性連接件到焦平面組件4 ;4)、常溫裝配光譜儀3 到冷箱2 ;5)、通過柔性連接件將焦平面組件4連接到冷箱2 ;6)、常溫裝配望遠(yuǎn)成像鏡1到 冷箱2,從視場光闌3-3處反向?qū)梗?)、封冷箱2,真空制冷；8)、黑體輻射望遠(yuǎn)成像鏡1，加 裝調(diào)濾光片在望遠(yuǎn)成像鏡1入口，調(diào)節(jié)焦平面組件4使該譜線的光譜位置符合設(shè)計，半高寬 與裝調(diào)濾光片吻合；9)、無窮遠(yuǎn)狹縫對目標(biāo)輻射望遠(yuǎn)成像鏡1，調(diào)節(jié)望遠(yuǎn)成像鏡1使狹縫對 像明暗對比度最高，調(diào)節(jié)焦平面組件4使狹縫對像空間位置符合設(shè)計；10)、重復(fù)8)和9)步 驟，直至焦平面組件4上裝調(diào)濾光片的譜線位置和狹縫對像的空間位置符合設(shè)計，濾光片 譜線半高寬最小和狹縫對像最清晰、對比度最高。
[0012] 本發(fā)明的低溫模型及裝調(diào)方法的優(yōu)點是：系統(tǒng)緊湊