[发明专利]基于变间隙F-P干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统

说明书

本发明公开了一种基于变间隙F‑P干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统，包括：前置成像物镜，用于将目标成像在系统的一次像面上；变间隙F‑P干涉系统，由一个两端对称的楔形平板和一块平行平板组成，实现分光干涉，在F‑P干涉腔后表面上进行多光束干涉调制和成像；后组中继成像系统，实现二次成像并将一次像面上干涉仪产生的干涉条纹图像转换到探测器靶面上。本发明的基于变间隙F‑P干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统，可在探测器上同时获得目标的二维空间信息与实时光谱信息，具有光谱分辨率高、稳定性好、结构简单、易于小型化的优点。

技术领域

本发明属于成像光谱仪光学设计技术领域，具体涉及一种基于变间隙F-P干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统。

背景技术

长波红外成像光谱仪在高性能光电侦察、光电对抗及化学毒剂遥测等领域有广阔的应用前景。近年来，随着光电成像产品的不断换代升级，新产品的试制研发对光学系统的高性能和小型化提出了更加严苛的要求。因此开发具有高分辨率、高稳定性且小型化的长波红外成像光谱仪是目前的大势所趋。

目前，干涉型成像光谱仪大多数采用迈克尔逊干涉仪或者Sagnac干涉仪。迈克尔逊干涉仪使用分光镜分光，通过移动其中一个反射镜的位置来获得产生干涉条纹所需要的光程差，需要干涉仪中的动镜进行匀速平行移动才能采集到对应的干涉曲线信息。这种结构的缺点是结构复杂，具有运动部件，对振动等因素的抗干扰能力差；而Sagnac干涉仪采用了三角共光路的光学结构，干涉仪同样具有体积庞大的缺点，且系统前面需要具有扫描部件保证探测器获得全视场的干涉信息。因此不管是迈克尔逊干涉系统还是Sagnac干涉系统都不满足光学系统小型化要求。

发明内容

为了解决现有长波红外成像光谱仪光学系统的分光系统结构复杂、难以实现系统小型化和增强稳定性的技术难题，本发明提供了一种可应用于车载、机载平台的基于变间隙F-P干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统。

本发明所提供的技术方案如下：

一种基于变间隙F-P干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统，由物方到像方依次包括：前置成像物镜、变间隙F-P干涉系统和后组中继成像系统；

所述前置成像物镜由物镜组第一透镜、物镜组第二透镜、物镜组第三透镜组成，用于将目标成像在系统的一次像面上；

变间隙F-P干涉系统，由一个两端对称的楔形平板和一块平行平板组成，用于实现系统分光产生干涉条纹，在F-P干涉腔后表面上进行多光束干涉调制和成像；

后组中继成像系统，由中继组第一透镜、中继组第二透镜、中继组第三透镜、中继组第四透镜组成，用于实现二次成像，将一次像面上干涉仪产生的干涉条纹图像转换到探测器靶面上，可在探测器上同时获得目标的二维空间信息与实时光谱信息。

进一步的，该光谱仪光学系统工作波段为长波红外7.7～14.2μm宽谱段，满足进行特殊气体光谱检测时对长波红外波段宽谱段的要求；系统F数为2，焦距150，具有大相对孔径的特点，可以提高光谱仪系统光通量；探测器为集成式640×512长波红外焦平面制冷型探测器组件，光学系统采用二次成像设计，整个光学系统出瞳与探测器冷屏重合，达到100％冷光阑效率，提高光谱成像系统灵敏度，减少背景杂散辐射对探测目标的影响。

进一步的，光学系统所用干涉仪为体积小、结构简单、易于实现的变间隙F-P干涉仪。变间隙F-P干涉仪由一个两端对称的楔形平板和一个平行平板组成，楔形平板楔角α＝2°，两个平板长度L＝72mm，保证干涉系统最大光程差Δ_max＝2Ltanα＝5mm，光谱仪光学系统的光谱分辨率σ＝1/Δ_max，达到2cm^-1。平板宽度30mm，为长方形，两个长方形平板组合形成楔形空气隙，干涉条纹为等厚条纹。

进一步的，F-P干涉系统楔形平板的前表面和平行平板的后表面镀增透膜，楔形平板的后表面和平行平板的前表面需要镀分光膜，具有分光作用的楔面与平行平板的前表面形成变间隙F-P干涉腔。