基於變間隙F-P幹涉儀的長波紅外成像光譜儀光學系統的製作方法

2024-04-13 11:00:05

基於變間隙f-p幹涉儀的長波紅外成像光譜儀光學系統
技術領域
1.本發明屬於成像光譜儀光學設計技術領域，具體涉及一種基於變間隙f-p幹涉儀的長波紅外成像光譜儀光學系統。


背景技術：

2.長波紅外成像光譜儀在高性能光電偵察、光電對抗及化學毒劑遙測等領域有廣闊的應用前景。近年來，隨著光電成像產品的不斷換代升級，新產品的試製研發對光學系統的高性能和小型化提出了更加嚴苛的要求。因此開發具有高解析度、高穩定性且小型化的長波紅外成像光譜儀是目前的大勢所趨。
3.目前，幹涉型成像光譜儀大多數採用麥可遜幹涉儀或者sagnac幹涉儀。麥可遜幹涉儀使用分光鏡分光，通過移動其中一個反射鏡的位置來獲得產生幹涉條紋所需要的光程差，需要幹涉儀中的動鏡進行勻速平行移動才能採集到對應的幹涉曲線信息。這種結構的缺點是結構複雜，具有運動部件，對振動等因素的抗幹擾能力差；而sagnac幹涉儀採用了三角共光路的光學結構，幹涉儀同樣具有體積龐大的缺點，且系統前面需要具有掃描部件保證探測器獲得全視場的幹涉信息。因此不管是麥可遜幹涉系統還是sagnac幹涉系統都不滿足光學系統小型化要求。


技術實現要素：

4.為了解決現有長波紅外成像光譜儀光學系統的分光系統結構複雜、難以實現系統小型化和增強穩定性的技術難題，本發明提供了一種可應用於車載、機載平臺的基於變間隙f-p幹涉儀的長波紅外成像光譜儀光學系統。
5.本發明所提供的技術方案如下：
6.一種基於變間隙f-p幹涉儀的長波紅外成像光譜儀光學系統，由物方到像方依次包括：前置成像物鏡、變間隙f-p幹涉系統和後組中繼成像系統；
7.所述前置成像物鏡由物鏡組第一透鏡、物鏡組第二透鏡、物鏡組第三透鏡組成，用於將目標成像在系統的一次像面上；
8.變間隙f-p幹涉系統，由一個兩端對稱的楔形平板和一塊平行平板組成，用於實現系統分光產生幹涉條紋，在f-p幹涉腔後表面上進行多光束幹涉調製和成像；
9.後組中繼成像系統，由中繼組第一透鏡、中繼組第二透鏡、中繼組第三透鏡、中繼組第四透鏡組成，用於實現二次成像，將一次像面上幹涉儀產生的幹涉條紋圖像轉換到探測器靶面上，可在探測器上同時獲得目標的二維空間信息與實時光譜信息。
10.進一步的，該光譜儀光學系統工作波段為長波紅外7.7～14.2μm寬譜段，滿足進行特殊氣體光譜檢測時對長波紅外波段寬譜段的要求；系統f數為2，焦距150，具有大相對孔徑的特點，可以提高光譜儀系統光通量；探測器為集成式640
×
512長波紅外焦平面製冷型探測器組件，光學系統採用二次成像設計，整個光學系統出瞳與探測器冷屏重合，達到100％冷光闌效率，提高光譜成像系統靈敏度，減少背景雜散輻射對探測目標的影響。
11.進一步的，光學系統所用幹涉儀為體積小、結構簡單、易於實現的變間隙f-p幹涉儀。變間隙f-p幹涉儀由一個兩端對稱的楔形平板和一個平行平板組成，楔形平板楔角α＝2
°
，兩個平板長度l＝72mm，保證幹涉系統最大光程差δ
max
＝2ltanα＝5mm，光譜儀光學系統的光譜解析度σ＝1/δ
max
，達到2cm-1
。平板寬度30mm，為長方形，兩個長方形平板組合形成楔形空氣隙，幹涉條紋為等厚條紋。
12.進一步的，f-p幹涉系統楔形平板的前表面和平行平板的後表面鍍增透膜，楔形平板的後表面和平行平板的前表面需要鍍分光膜，具有分光作用的楔面與平行平板的前表面形成變間隙f-p幹涉腔。
13.進一步的，為了確保光譜儀獲得頻譜信息的準確性，成像光學系統光學傳遞函數接近理想光學系統的衍射極限，嚴格校正各種像差，並且通過控制各視場像點位置滿足正弦條件，即控制不同視場ω＇對應的像高y＇＝f＇sinω＇，控制像點的非線性誤差δy＇＝f＇(sinω＇-tanω＇)小於探測器一個像元大小。
14.進一步的，前置成像物鏡和後組中繼成像系統採用硒化鋅和單晶鍺材料，f-p幹涉系統採用單晶鍺材料，具有高透過率、性能穩定且易於加工的特點。
15.本發明與現有技術相比，具有以下優點及有益效果：
16.1、本發明提供的一種基於變間隙f-p幹涉儀的長波紅外成像光譜儀光學系統，通過變間隙f-p幹涉儀對目標輻射空間信息進行調製，能夠同時獲取目標的實時光譜信息和二維空間信息，光譜解析度≤2cm-1
，具有結構簡單，穩定性好、光譜解析度高的特點。
17.2、本發明提供一種製冷型長波紅外成像光譜儀光學系統，通過將光學系統出瞳與長波紅外探測器冷屏重合，達到100％冷光闌，有效抑制光譜儀背景雜散光，提高光譜儀探測靈敏度。
18.3、本發明提供一種長波紅外成像光譜儀光學系統光路布局，結構緊湊，易於實現，通過二次成像設計，將幹涉儀放置在一次成像像面位置，有效減少幹涉儀尺寸，同時一次成像出瞳和二次成像入瞳匹配，可以減少前置成像物鏡口徑，結構緊湊，便於加工。
附圖說明
19.圖1為本發明的基於變間隙f-p幹涉儀的長波紅外成像光譜儀光學系統示意圖；
20.圖2為本發明使用的一種變間隙f-p幹涉儀實施例示意圖；
21.圖3為本發明長波紅外成像光譜儀光學系統的傳遞函數圖；
22.圖4為本發明長波紅外成像光譜儀光學系統的彌散斑；
23.圖5為本發明長波紅外成像光譜儀光學系統的畸變曲線。
24.圖中：l1-前置成像物鏡；l2-變間隙f-p幹涉系統；l3-後組中繼成像系統；1-物鏡組第一透鏡；2-物鏡組第二透鏡；3-物鏡組第三透鏡；4-楔形平板；5-平行平板；6-中繼組第一透鏡；7-中繼組第二透鏡；8-中繼組第三透鏡；9-中繼組第四透鏡。
具體實施方式
25.為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅用以解釋本發明，並不用於限定本發明。此外，下面所描述的本發明各個實施方式中所涉及的技術特徵只要彼此
之間未構成衝突就可以相互組合。
26.圖1和圖2是本發明的基於變間隙f-p幹涉儀的長波紅外成像光譜儀光學系統及變間隙f-p幹涉儀的一種基本實施例，包括：
27.前置物鏡組l1、變間隙f-p幹涉系統l2、後組中繼成像系統l3。
28.前置物鏡組l1，包括物鏡組第一透鏡1、物鏡組第二透鏡2、物鏡組第三透鏡3，用於將目標成像在系統的一次像面上。前置物鏡組焦距150mm，經過放大倍率為1:1的後組中繼成像系統後實現系統組合焦距150mm。
29.變間隙f-p幹涉系統l2位於系統一次像面上，由一個兩端對稱的楔形平板4和一個平行平板5組成，如圖2所示，楔形平板的前表面和平行平板的後表面鍍增透膜，楔形平板的後表面和平行平板的前表面為分光面，兩個平板在a點貼合，入射光通過前置成像物鏡進入變間隙f-p幹涉儀後在兩個分光面間進行多次反射和透射，形成變間隙f-p幹涉腔。本實施例中兩個平板材料為單晶鍺，兩個分光面不鍍制特殊膜層，通過實測得到未鍍膜單晶鍺的平均單面反射率r＝36％，此時幹涉條紋調製度且條紋正弦性較好。同時採用分光面不鍍膜的鍺平板可以降低光學加工和鍍膜難度，節約成本。
30.幹涉系統中楔形平板的楔角α決定了幹涉條紋對比度和採樣精度，同時也會影響幹涉儀的尺寸。本實施例中楔形平板楔角為α＝2
°
，兩個平板長度為l＝72mm，幹涉系統最大光程差δ
max
＝2ltanα＝5mm，此時光譜儀光學系統的光譜解析度σ＝1/δ
max
≤2cm-1
，平板寬度30mm，為長方形，兩個長方形平板組合形成楔形空氣隙，幹涉條紋為等厚條紋。幹涉條紋具有較高對比度，採樣精度較高，幹涉儀尺寸小，結構簡單，滿足小型化設計要求。
31.幹涉系統放置在前置物鏡組的一次像面上，能夠同時獲得目標的二維空間信息和一維光譜信息，但要得到一幅完整的幹涉圖必須經過一次全視場的推掃過程，需要將f-p幹涉儀橫向掃描來獲得完整幹涉信息，掃描過程中f-p幹涉儀從中心沿長度方向垂直於光軸運動，對應幹涉儀的光程差從零到最大光程差變化。
32.後組中繼成像系統l3位於變間隙f-p幹涉系統後，沿光軸方向依次為中繼組第一透鏡6、中繼組第二透鏡7、中繼組第三透鏡8、中繼組第四透鏡9，用於將幹涉系統產生的幹涉條紋圖像轉換到紅外探測器焦平面上，在探測器上同時獲得目標的空間位置信息與實時光譜信息。探測器為集成式640
×
512長波紅外焦平面製冷型探測器組件，像元間距25μm，中繼系統放大倍率為1:1，整個光學系統出瞳與探測器冷屏重合，達到100％冷光闌效率，提高光譜成像系統靈敏度，減少背景雜散輻射對探測目標的影響。對比傳統光譜儀需要對光譜儀整機進行製冷來減少背景輻射，採用100％冷光闌設計可以有效減小系統功耗，減小體積，控制成本。
33.光譜儀光學系統工作波段為7.7～14.2μm，滿足光譜儀在長波紅外波段對特殊氣體進行光譜檢測要求。為了滿足工作距離和視場的要求，根據探測器靶面大小可計算出成像光譜儀焦距為150mm，由焦距150mm的前置物鏡組和放大倍率為1:1的後組中繼成像系統組合而成。
34.在光信息處理過程中，需要對光譜儀光學系統像面上得到的頻譜圖像和空間圖像進行傅立葉分析，成像系統的成像質量會影響光信息處理的信噪比，為確保像面頻譜信息的準確性，通過光信息處理信噪比，需要嚴格控制各種相差和各視場對應像點的非線性誤
差。要求成像光學系統光學傳遞函數接近理想光學系統的衍射極限，嚴格校正各種像差，並且通過控制各視場像點位置滿足正弦條件，即控制像點不同視場ω＇對應的像高y＇＝f＇sinω＇，控制像點的非線性誤差δy＇＝f＇(sinω＇-tanω＇)小於探測器一個像元大小。
35.圖3至圖5為本發明基於變間隙f-p幹涉儀的長波紅外成像光譜儀光學系統光學成像質量數據圖，其中，圖3為本發明長波紅外成像光譜儀光學系統的傳遞函數圖，圖4為本發明長波紅外成像光譜儀光學系統的彌散斑，圖5為本發明長波紅外成像光譜儀光學系統的場曲與畸變曲線。從圖3至圖5可以看出本發明的長波紅外成像光譜儀光學系統成像質量良好，滿足成像質量要求。
36.綜上所述，本發明公開了一種基於變間隙f-p幹涉儀的長波紅外成像光譜儀光學系統，包括：前置成像物鏡，用於將目標成像在系統的一次像面上；變間隙f-p幹涉系統，由一個兩端對稱的楔形平板和一塊平行平板組成，實現分光幹涉，在f-p幹涉腔後表面上進行多光束幹涉調製和成像；後組中繼成像系統，實現二次成像並將一次像面上幹涉儀產生的幹涉條紋圖像轉換到探測器靶面上。本發明可在探測器上同時獲得目標的二維空間信息與實時光譜信息，具有光譜解析度高、穩定性好、結構簡單、易於小型化的優點。
37.需要指出，根據實施的需要，可將本技術中描述的各個步驟/部件拆分為更多步驟/部件，也可將兩個或多個步驟/部件或者步驟/部件的部分操作組合成新的步驟/部件，以實現本發明的目的。
38.本領域的技術人員容易理解，以上僅為本發明的較佳實施例而已，並不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。