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2024-01-02 16:32 |
基于Dyson結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)波紅外高光譜成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)研究
工作于長(zhǎng)波紅外波段(8~12?m)的成像光譜儀在遙感領(lǐng)域具有明顯的優(yōu)勢(shì),近年來(lái)隨著紅外探測(cè)器技術(shù)的飛速發(fā)展,長(zhǎng)波紅外成像光譜儀在地雷探測(cè),化學(xué)云層繪圖,林火監(jiān)測(cè)等軍民領(lǐng)域得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。成像光譜儀由前置望遠(yuǎn)物鏡和光譜分光系統(tǒng)兩部分組成,其中分光系統(tǒng)是成像光譜儀的核心組成部分。8~12?m波段范圍內(nèi)的遙感信號(hào)十分微弱,光學(xué)系統(tǒng)往往需要具有較高的輻射通量以滿足信噪比的要求,而傳統(tǒng)的平面光柵光譜儀難以同時(shí)實(shí)現(xiàn)高信噪比與小型化光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。同心結(jié)構(gòu)光柵光譜儀結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,體積小,數(shù)值孔徑大,譜線彎曲和色畸變小,十分適用于長(zhǎng)波紅外成像光譜儀的設(shè)計(jì)。Dyson結(jié)構(gòu)是一種典型的同心結(jié)構(gòu),基于Dyson結(jié)構(gòu)的光譜儀承載了同心結(jié)構(gòu)的上述優(yōu)勢(shì)。根據(jù)Dyson結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及像差特性,選擇硒化鋅作為厚透鏡材料,并通過(guò)分析Dyson光譜儀的像差特性,權(quán)衡光譜儀小體積、高光譜分辨率的要求,推導(dǎo)了適用于長(zhǎng)波紅外波段范圍的Dyson光譜儀初始結(jié)構(gòu)的計(jì)算方法。選擇相同的狹縫長(zhǎng)度、光譜分辨率以及探測(cè)器,通過(guò)與另一種典型的同心結(jié)構(gòu)——Offner結(jié)構(gòu),在不同的F數(shù)及不同光柵常數(shù)下的對(duì)比分析,驗(yàn)證了長(zhǎng)波紅外波段范圍內(nèi)Dyson光譜儀在輻射通量與體積大小方面的優(yōu)勢(shì)所在。設(shè)計(jì)了一款F數(shù)為2的基于Dyson結(jié)構(gòu)的制冷型長(zhǎng)波紅外成像光譜儀。選擇F數(shù)為2的HgCdTe制冷型探測(cè)器,其陣列大小為256×256,像元尺寸為40?m。為了獲得最合理的信噪比與光譜分辨率,令狹縫寬度等于像元尺寸,為40?m。選擇離軸三反結(jié)構(gòu)作為前置望遠(yuǎn)物鏡,它可以為后續(xù)光學(xué)系統(tǒng)提供理想的狹縫處的像。在進(jìn)行整體設(shè)計(jì)的過(guò)程中,采用二次成像法實(shí)現(xiàn)了100%冷光闌效率,并通過(guò)像差平衡原理,避免了傳統(tǒng)Dyson光譜儀中校正鏡的使用。該成像光譜儀光譜分辨率為25nm,空間分辨率為0.2mrad,總視場(chǎng)角為2.93°,系統(tǒng)體較小,為300×250×116mm3。系統(tǒng)最大的譜線彎曲為27?m,稍大于狹縫寬度的一半,可以很容易地在后續(xù)數(shù)據(jù)處理中得到校正;系統(tǒng)的色畸變18?m,滿足成像光譜儀的要求。設(shè)計(jì)了一款F數(shù)為1.25的基于Dyson結(jié)構(gòu)的非制冷型長(zhǎng)波紅外成像光譜儀。選擇微測(cè)輻射熱計(jì)作為探測(cè)器,其陣列大小為640?480,像元尺寸為17?m。為了獲得更多的輻射通量以提高信噪比,令狹縫寬度為二倍的像元尺寸,為34?m。選擇了能夠?qū)崿F(xiàn)更大數(shù)值孔徑以及視場(chǎng)角的透射式結(jié)構(gòu)作為前置望遠(yuǎn)物鏡。該成像光譜儀光譜分辨率為25nm,空間分辨率為0.3mrad,總視場(chǎng)角為9.35°,系統(tǒng)體積較小,為142×180×63mm3。系統(tǒng)的譜線彎曲為0.03?m,色畸變?yōu)?7?m,均小于狹縫寬度的一半,符合設(shè)計(jì)要求。
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