一种宽光谱范围的高分辨率中波红外光谱仪及使用方法

摘要

本发明具体涉及一种宽光谱范围的高分辨率中波红外光谱仪及使用方法，用于解决中波红外光谱仪不能快速获取宽光谱范围下高光谱分辨率光谱信息的问题。本发明包括狭缝、第一折轴反射镜、非球面准直镜、非球面成像镜、第二折轴反射镜、柱面透镜、截止滤光片组件、第一红外焦平面阵列、第二红外焦平面阵列以及光栅组件；光学信息通过狭缝入射至第一折轴反射镜，第一折轴反射镜将光学信息反射至非球面准直镜，非球面准直镜将光学信息反射至光栅组件上，光栅组件将光学信息反射至非球面成像镜上，非球面成像镜将光学信息反射至第二折轴反射镜，第二折轴反射将光学信息反射并依次穿过柱面透镜、截止滤光片组件以及第一红外焦平面阵列，最终抵达并聚焦于第二红外焦平面阵列。

说明书

技术领域

本发明涉及成像光谱仪光学设计技术，尤其涉及一种宽光谱范围的高分辨率中波红外光谱仪及使用方法。

背景技术

光谱仪是用来探测目标光谱信息的光学系统，按照分光原理，可以分为滤光片式、色散式以及干涉式等。其中色散式由于其具有体积紧凑、谱段多、结构简单的优势，至今仍然是各领域实现光谱探测需求的首选。

一般的光谱仪利用光栅元件的色散特性分光，具有色散线性的优势，结构简单，像差矫正能力强，体积紧凑。但由于光栅光谱仪的光谱分辨率与光谱范围存在反关系，限制了其在大光谱范围下的使用。例如苏州大学沈为民课题组提出的一种采用单光栅分光的静止轨道中波红外成像光谱仪[朱嘉诚，陆伟奇，赵知诚，等.静止轨道中波红外成像光谱仪分光成像系统[J].光学学报，2021，41(11):8]具有3-5微米的光谱范围，但光谱采样间隔达到50nm，光谱分辨率较低。

考虑到目前科研系统的实际需要，亟需研制一种对目标进行单次探测以快速获取宽波段范围光谱信息的光谱仪光学系统，该系统需要具有大的光谱范围以及较高的光谱分辨率，实现的大光谱范围下的高质量光谱信息获取。

发明内容

本发明提供一种宽光谱范围的高分辨率中波红外光谱仪及使用方法，用于解决现阶段中波红外光谱仪不能快速获取宽光谱范围下高光谱分辨率的光谱信息的问题。该系统是一种F数小，结构紧凑的光栅分光光谱仪，通过不同光栅切换的方式，利用单次探测以快速获取宽波段范围光谱信息的能力的光谱仪光学系统。

为实现上述目的，本发明的技术方案如下：

一种宽光谱范围的高分辨率中波红外光谱仪，其特殊之处在于：包括狭缝、非球面准直镜、非球面成像镜、柱面透镜、截止滤光片组件、第一红外焦平面阵列、第二红外焦平面阵列以及光栅组件；

所述狭缝处入射有光学信息；

所述光学信息穿过狭缝入射到所述非球面准直镜，非球面准直镜将光学信息反射至所述光栅组件上，光栅组件将光学信息反射至所述非球面成像镜上，非球面成像镜将光学信息反射并依次穿过所述柱面透镜、所述截止滤光片组件以及所述第一红外焦平面阵列，最终抵达并聚焦于所述第二红外焦平面阵列上；

所述光栅组件包括第一光栅、第二光栅以及光栅塔，第一光栅、第二光栅安装在光栅塔上，并且第一光栅和第二光栅在光栅塔上转动，使得第一光栅工作或者第二光栅工作。

进一步地，还包括第一折轴反射镜和第二折轴反射镜；

所述第一折轴反射镜设置在所述狭缝和所述非球面准直镜之间的光路上，所述光学信息通过狭缝入射至第一折轴反射镜，第一折轴反射镜将光学信息反射至非球面准直镜上；

所述第二折轴反射镜设置在所述非球面成像镜和所述柱面透镜之间的光路上；所述非球面成像镜将光学信息反射至第二折轴反射镜，第二折轴反射镜将光学信息反射至柱面透镜。

进一步地，所述非球面准直镜曲率半径为250mm，圆锥系数k＝-2.564；

所述非球面成像镜曲率半径为250mm，圆锥系数k＝0.579；

所述非球面准直镜和所述非球面成像镜的面形描述表达式如下：

其中z为矢高，c为曲率半径，r为基底半径，k为圆锥系数。

进一步地，所述狭缝到所述第一折轴反射镜前表面反射中心点之间的距离为14-16mm；

所述第一折轴反射镜前表面反射中心点到所述非球面准直镜前表面反射中心的距离为109-111mm；

所述非球面成像镜前表面反射中心点到所述第二折轴反射镜前表面反射中心点的距离为98-100mm；

所述第二折轴反射镜前表面反射中心到所述第二红外焦平面阵列前表面入射中心点的距离为21-22mm。

进一步地，所述狭缝到所述第一折轴反射镜前表面反射中心点之间的距离为15mm；

所述第一折轴反射镜前表面反射中心点到所述非球面准直镜前表面反射中心的距离为110mm；

所述非球面成像镜前表面反射中心点到所述第二折轴反射镜前表面反射中心点的距离为99.827mm；

所述第二折轴反射镜前表面反射中心到所述第二红外焦平面阵列前表面入射中心点的距离为21.8mm；

所述非球面准直镜前表面反射中心点的距离到所述光栅组件前表面反射中心点的距离、所述光栅组件前表面反射中心点的距离到所述非球面成像镜前表面反射中心点的距离均为125mm。

进一步地，所述非球面准直镜绕x轴的旋转角为79°～85°；

所述非球面成像镜绕x轴的旋转角为93°～99；

所述柱面透镜绕x轴的旋转角为2°～5°；

所述光栅组件绕x轴的旋转角为76°～87°。

进一步地，所述非球面准直镜绕x轴的旋转角为82°；

所述非球面成像镜绕x轴的旋转角为96.09°；

所述柱面透镜绕x轴的旋转角4.766°；

所述光栅组件绕x轴的旋转角为84.349°到达第一个工作位置，绕x轴旋转角为82°到达第二个工作位置，绕x旋转角为79.739°到达第三个工作位置。

进一步地，所述截止滤光片组件包括两个可以随时替换的截止滤光片；

所述第一红外焦平面阵列和第二红外焦平面阵列均采用PbSe焦平面。

进一步地，所述第一光栅和第二光栅均具有75lp/mm的刻线密度；

所述第一光栅的闪耀波长为3微米；

所述第二光栅的闪耀波长为4.65微米。

一种宽光谱范围的高分辨率中波红外光谱仪的使用方法，具体步骤如下：

步骤1，光学信息从狭缝进入光学系统内，经光路到达光栅组件；

步骤2，光栅组件绕x轴旋转84.349°到达第一个工作位置，第一光栅开始工作，同时第一块截止滤光片置入该光学系统中相应位置开始工作，采集第一个光谱范围的光谱信息；

步骤3，光栅组件绕x轴旋转82°到达第二个工作位置，第一光栅继续工作，将第一块截止滤光片切换出该光学系统，将第二块截止滤光片切入该光学系统中的相应工作位置，采集第二个光谱范围的光谱信息。

步骤4，光栅组件绕x轴旋转79.739°到达第三工作位置，第二光栅开始工作，第二块截止滤光片继续工作，采集第三个光谱范围的光谱信息；

步骤5，将三个光谱范围内的光谱信息进行整合，即可得到通过该红外光谱仪测得的相应信息。与现有技术相比，本发明的有益效果具体如下：

1、本发明系统在探测过程中切换第一光栅和第二光栅，实现大光谱范围下的高精度快速光谱获取，实现大光谱范围下的高衍射效率获取；

当本发明需要探测不同光谱范围时，通过压电位移台带动装有不同截止波长滤光片的机械结构线性移动，使恰当的截止滤光片进入光路中的工作位置，实现宽谱段滤除二级光谱。

2、本发明中非球面准直镜及非球面成像镜采用非球面面形，利用非球面的像差矫正能力实现更加紧凑的光谱仪体积以及实现系统孔径的提升。

3、本发明中的第一红外焦平面和第二红外焦平面采用PbSe焦平面阵列，具有1.5-5.5μm的光谱响应范围，具有超过1000Hz的光谱采样帧频，可实现宽谱段高精度的快速红外光谱获取。

附图说明

图1为本发明光路结构示意图；

图2为本发明分波长点列图；

图3为本发明的全视场光迹图；

图4为本发明的理论光谱分辨率图。

其中，附图标记具体如下：

1-狭缝，2-第一折轴反射镜，3-非球面准直镜，4-非球面成像镜，5-第二折轴反射镜，6-柱面透镜，7-截止滤光片组件，8-第一红外焦平面阵列，9-第二红外焦平面阵列，10-光栅组件。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。

如图1所示，本发明提供了一种宽光谱范围的高分辨率中波红外光谱仪，包括狭缝1、第一折轴反射镜2、非球面准直镜3、非球面成像镜4、第二折轴反射镜5、柱面透镜6、截止滤光片组件7、第一红外焦平面阵列8、第二红外焦平面阵列9以及光栅组件10。

被探测的光学信息通过狭缝1入射至第一折轴反射镜2，第一折轴反射镜2将光学信息反射至非球面准直镜3，非球面准直镜3将光学信息反射至光栅组件10上，光栅组件10将光学信息反射至非球面成像镜4上，非球面成像镜4将光学信息反射至第二折轴反射镜5，第二折轴反射镜5将光学信息反射并依次穿过柱面透镜6、截止滤光片组件7以及第一红外焦平面阵列8，最终抵达并聚焦于第二红外焦平面阵列9。

按照图1所示布置，狭缝1到第一折轴反射镜2前表面反射中心点之间的距离为14-16mm，本实施例中具体为15mm。

第一折轴反射镜2前表面反射中心点到非球面准直镜3前表面反射中心的距离为109-111mm，本实施例具体为110mm。

非球面成像镜4前表面反射中心点至第二折轴反射镜5前表面反射中心点的距离为98-100mm，本实施例具体为99.827mm。

第二折轴反射镜5前表面反射中心至第二红外焦平面阵列9前表面入射中心点的距离为21-22mm，本实施例中具体为21.8mm。

非球面准直镜3前表面反射中心点的距离到光栅组件10前表面反射中心点的距离、光栅组件10前表面反射中心点的距离到非球面成像镜4前表面反射中心点的距离均为125mm。

图1中，以狭缝1为坐标原点，以入射的光学信息的光轴为z轴，从外向内是为x轴，自上而下为y轴建立xyz坐标系，非球面准直镜3绕x轴的旋转角为79°～85°，本实施例中具体为82°。非球面成像镜4绕x轴的旋转角为93°～99°，本实施例中具体为96.09°。柱面透镜6绕x轴的旋转角为2°～5°，本实施例中具体为4.766°。光栅组件10绕x轴的旋转角为76°～87°，本实施例中光栅组件10绕x旋转84.349°到达第一个工作位置，绕x轴旋转82°到达第二个工作位置，绕x旋转79.739°到达第三个工作位置。

第一折轴反射镜2和第二折轴反射镜5不具有光焦度，均起到折转光路以及改善光谱仪内部光路分布的作用，减小了光谱仪中的光路所占空间。第一折轴反射镜2和第二折轴反射镜5起到了合理布置光谱仪内部空间的作用，避免狭缝安装结构件、光栅组件及光谱仪其他组件间互相的干涉。

非球面准直镜3具有正的光焦度，其曲率半径为250mm，具有负的圆锥系数，其具体的圆锥系数k＝-2.564；非球面成像镜4具有正的光焦度，其曲率半径为250mm，具有正的圆锥系数，其具体的圆锥系数k＝0.579。非球面准直镜3和非球面成像镜4的面形描述表达式如下：

其中z为矢高，c为曲率半径，r为基底半径，k为圆锥系数。

第一红外焦平面阵列8和第二红外焦平面阵列9均采用采用PbSe焦平面，具有1.5-5.5μm的光谱响应范围，具有超过1000Hz的光谱采样帧频，可实现宽谱段高精度的快速红外光谱获取。

光栅组件10包括第一光栅、第二光栅以及光栅塔，第一光栅、第二光栅安装在光栅塔上，可由光栅塔带动旋转，同一时刻只有一个光栅工作，且第一光栅和第二光栅均具有75lp/mm的刻线密度。第一光栅和第二光栅的闪耀波长分别为3微米和4.65微米，以提供在全波段范围内高于60％的光栅衍射效率。当通过狭缝1的光学信息的波长位于如图4所示的谱段一和谱段二范围内时，即波长在1900-4100纳米时，使用第一光栅工作；当通过狭缝1的光学信息的波长位于谱段三范围内时，即波长在3900-5100纳米时，使用第二光栅工作。

本发明一种具有大光谱范围的红外光谱仪光学系统采用对称式C-T结构，C-T结构通过非球面准直镜3及非球面成像镜4、光栅组件10组成，C-T结构同时结合柱面透镜6压缩光谱仪光路系统的体积，实现外轮廓小于120×120×140mm的紧凑光谱仪系统设计。系统孔径光阑位于非球面准直镜3处，孔径形状为方形，与光栅组件10匹配。此设计有利于设备装调。

本发明一种具有大光谱范围的红外光谱仪光学系统F数范围为3.0～3.5，波段范围为1.9-5.1μm，可以一次测量覆盖整个波段范围，具有在50μm狭缝宽度下好于10nm的光谱分辨率。通过划分全波段为1.9～3.1μm、2.9～4.1μm、3.9～5.1μm三个范围，在单次测量时旋转光栅至三波段预设角度，实现在不改变光路结构形式的前提下快速获取全波段光谱信息。

该光谱仪可通过切换光栅及窄带滤光片7的方式，一次连续采集1.9～5.1μm范围的高光谱分辨率的光谱信息。

一种宽光谱范围的高分辨率中波红外光谱仪的使用方法，具体为：光学信号通过狭缝1进入光谱仪光学系统内。光栅组件绕x轴旋转84.349°到达第一个工作位置，第一光栅开始工作，同时第一块截止滤光片置入该光学系统中相应位置开始工作，采集第一个光谱范围的光谱信息。之后，光栅组件10绕x轴旋转82°到达第二个工作位置，第一光栅开始工作，将第一块截止滤光片切出该光学系统，将第二块截止滤光片切入该光学系统中的相应工作位置，采集第二个光谱范围的光谱信息。之后，光栅组件绕x轴顺时针旋转79.739°到达第三工作位置，第二光栅开始工作，第二块截止滤光片继续工作，采集第三个光谱范围的光谱信息。

本发明的全波长点列图见图2。全波长情况下，光谱方向弥散斑接近衍射极限，空间方向仍存在一定程度的像散，但该像散位于探测器两个像元尺寸之内，是可以接受的。

本发明的三波段理论光谱分辨率见图3。全谱段范围内光谱仪具有＜6nm的光谱分辨率，且不同波长见光谱分辨率变化很小，满足使用要求。

本发明考虑几何像差的全视场光迹图见图4。以10nm波长间隔采样，全视场波长可以良好分开，满足光谱分辨率要求。