CN114216560B - 基于sagnac干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统，包括：扫描反射系统，用于扫描视场得到全视场的干涉图像；前组望远系统，用于将目标辐射能量压缩成小口径的平行光束，避免后面干涉系统的体积过大；SAGNAC干涉仪光学系统，由一个分束镜和两个平面反射镜组成，位于前组望远系统和后组成像系统之间，将目标辐射能量分为两束相互平行的相干光束，由于不同视场下两束相干光的光程差不同，通过后组成像系统后，在像面上会形成干涉条纹；后组成像系统，用于将经SAGNAC干涉仪分光得到的两束平行光成像到红外探测器焦平面上，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。
Description
技术领域
本发明涉及成像光谱仪光学系统技术领域，具体涉及一种基于SAGNAC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是一种用来获取目标自身长波红外辐射二维空间信息和一维光谱信息的仪器，光学系统主要由前置物镜、分光系统、成像物镜和探测器组成，通过探测器获得成像光谱仪的光谱数据和空间数据，主要应用于高性能光电侦察、光电对抗及化学毒剂遥测、地雷探测等领域。
根据分光方式不同，红外成像光谱仪可以分为色散型、干涉型和滤光片型三种。光栅色散分光是目前色散型成像光谱仪最常用的分光方式，通常运用一个衍射光栅和狭缝获取所有谱段光谱数据，但是由于需要用狭缝来限制视场，具有光通量不足，信噪比难以提升的缺点。滤光片分光型成像光谱仪由于其采用的线性渐变滤光片的光谱特性受温度、湿度、气压等参数影响较大，对工作环境要求很高。相比之下干涉型长波红外高光谱成像仪具有多通道、光通量高、光谱分辨率高、检测速度快、信噪比高、光谱范围广以及数据处理能力强等技术优势。
传统的干涉型成像光谱仪大多数是使用迈克尔逊干涉仪的时间调制型成像光谱仪。迈克尔逊干涉仪在分光镜分光后，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。这种结构的缺点是具有运动部件，对振动等因素的抗干扰能力差；而且动镜的扫描时间较长，不能进行实时快速测量，在使用之前还需对动镜进行校准，以确保反射镜处在零光程差位置；对于使用环境要求高，常常在实验室环境中使用，难以满足在复杂环境中快速检测、高空高速中监测等户外使用需求。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统，具有高稳定性、高可靠性、抗冲击性的优点，同时保留干涉型成像光谱仪高光通量、高信噪比的优点。
为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：
一种基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统，包括：反扫反射系统L1，用于扫描视场得到全视场的干涉图像；前组望远系统L2，用于将目标辐射能量压缩成小口径的平行光束，避免后面干涉系统的体积过大；SAGNAC干涉仪光学系统L3，由一个分束镜和两个平面反射镜组成三角共光路结构，位于前组望远系统和后组成像系统之间，将目标辐射能量分为两束相互平行的相干光束，由于不同视场下两束相干光的光程差不同，通过后组成像系统后，在像面上会形成干涉条纹；后组成像系统L4，用于将经SAGNAC干涉仪分光得到的两束平行光成像到红外探测器焦平面上，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。
在上述技术方案中，光学系统工作波段为7.7～14.2μm，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，具有大相对孔径，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，后组成像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。
在上述技术方案中，为了确保光谱仪获得频谱信息的准确性，成像光学系统光学传递函数接近理想光学系统的衍射极限，严格校正各种像差，并且通过控制各视场像点位置满足正弦条件，即控制像点不同视场ω＇对应的像高y＇＝f＇sinω＇，控制像点的非线性误差Δy＇＝f＇(sinω＇-tanω＇)小于探测器一个像元大小。
在上述技术方案中，所用干涉仪为SAGNAC干涉仪，由一个分束镜和两个平面反射镜，分束镜与入射光轴呈45°夹角，两个平面反射镜分别与入射光轴呈67.5°夹角，两个平面反射镜相对于分束镜不对称放置，使干涉仪的横向剪切量为30mm。
在上述技术方案中，所用SAGNAC干涉仪最大光程差为2mm，光谱仪光学系统的光谱分辨率≤5cm-1。
在上述技术方案中，前组望远系统、SAGNAC干涉仪光学系统和后组成像系统采用硒化锌、硫化锌和单晶锗材料。在7.7～14.2μm长波红外波段具有较高透过率、性能稳定且易于加工的特点。
本发明与现有技术相比具有以下主要的优点：
1、本发明提供的一种基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统，通过SAGNAC干涉仪对目标辐射空间信息进行调制，能够同时获取目标的实时光谱信息和二维空间信息，光谱分辨率≤5cm-1，具有结构简单，稳定性好、光谱分辨率高的特点。
2、本发明提供一种制冷型长波红外成像光谱仪光学系统，通过将光学系统出瞳与长波红外探测器冷屏重合，达到100％冷光阑，有效抑制光谱仪背景杂散光，提高光谱仪探测灵敏度。
3、本发明提供一种长波红外成像光谱仪光学系统光路布局，结构紧凑，易于实现，通过二次成像设计控制前组望远物镜口径，降低加工成本，减少系统体积重量。
附图说明
图1为本发明的基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统整体示意图；
图2为本发明使用的一种SAGNAC干涉仪实施例示意图；
图3为本发明长波红外成像光谱仪光学系统的传递函数图；
图4为本发明长波红外成像光谱仪光学系统的弥散斑；
图5为本发明长波红外成像光谱仪光学系统的畸变曲线。
图中：L1-扫描反射系统；L2-前组望远系统；L3-SAGNAC干涉仪系统；L4-后组成像系统。1-扫描反射镜；2-前组望远透镜一；3-前组望远透镜二；4-前组望远透镜三；5-前组望远透镜四；6-前组望远透镜五；7-分束镜；8-反射镜一；9-反射镜二；10-后组透镜一；11-后组透镜二；12-后组透镜三；13-后组透镜四；14-后组透镜五；15-反射镜三。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
需要指出，根据实施的需要，可将本申请中描述的各个步骤/部件拆分为更多步骤/部件，也可将两个或多个步骤/部件或者步骤/部件的部分操作组合成新的步骤/部件，以实现本发明的目的。
本发明提供一种可应用于车载、机载平台的基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统，通过采用三角共光路横向剪切干涉仪干涉系统，避免使用运动的角镜，而是采用两个相对于分束镜不对称的反射镜来形成光程差，从而在后端的探测器件上得到干涉条纹,解决了传统迈克尔逊干涉型长波红外成像光谱仪结构复杂、稳定性不足的问题。
一、光学系统结构
如图1和图2所示，是本发明基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统及SAGNAC干涉仪的一种基本实施例。
如图1所示，该光学系统由物方至像方依次包括：扫描反射系统L1、前组望远系统L2、SAGNAC干涉仪系统L3、后组成像系统L4。
扫描反射系统L1：具体包括扫描反射镜1，用于扫描视场得到全视场的干涉图像，得到目标对应不同时刻的光程差。通过扫描反射镜对探测器横向视场进行扫描，获得目标全视场的干涉图像，进行傅里叶变换复原全视场的光谱信息。
前组望远系统L2：沿光轴方向依次包括前组望远透镜一2、前组望远透镜二3、前组望远透镜三4、前组望远透镜四5和前组望远透镜五6，所述前组望远系统位于SAGNAC干涉仪系统前，其望远系统的倍率为3倍，用于压缩光学系统入瞳直径，通过前组望远系统的目标辐射能量被压缩成更小口径的平行光束，避免干涉系统的体积过大。
SAGNAC干涉仪系统L3：由一个分束镜7和两个平面反射镜(反射镜一8和反射镜二9)组成三角共光路结构，所述SAGNAC干涉仪系统位于前组望远系统和后组成像系统中间位置。目标辐射能量通过分束镜7时被分束镜7分为透射和反射两束光束，两束光由反射镜一8和反射镜二9反射两次，再由分光镜出射，形成两束相互平行的相干光束。分束镜7与入射光光轴的夹角为45°，反射镜一8和反射镜二9与入射光光轴夹角角度均为67.5°。
进一步的，如图2所示，
当反射镜二9位于反射镜三15位置时，两个反射镜相对于分束镜7的分束面完全对称，此时两束光束没有光程差，在探测器上不会产生干涉条纹；
当反射镜一8和反射镜二9相对于分束镜7的分光面不对称，且反射镜二9与反射镜三15之间的相对距离为19.6mm时，两束平行相干光束之间的横向剪切量d＝30mm。
后组成像系统L4：沿光轴方向依次包括后组透镜一10、后组透镜二11、后组透镜三12、后组透镜四13和后组透镜五14，后组成像系统焦距f＝120mm，用于将经SAGNAC干涉仪分光得到的两束平行相干光成像到红外探测器焦平面上，在探测器上同时获得目标的空间位置信息与实时光谱信息。
其中，所述探测器为集成式640×512长波红外焦平面制冷型探测器组件，像元间距25μm，后组成像系统焦距120mm，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。对比传统光谱仪需要对光谱仪整机进行制冷来减少背景辐射，采用100％冷光阑设计可以有效减小系统功耗，减小体积，控制成本。
进一步的，光谱仪光学系统工作波段为7.7～14.2μm，满足光谱仪在长波红外波段对特殊气体进行光谱检测要求；光学系统F数为2，具有大相对孔径，提高光谱仪系统光通量；为了满足工作距离和视场的要求，根据探测器靶面大小可计算出成像光谱仪焦距为360mm，由放大倍率为3×的前组望远系统和焦距120mm的后组成像系统组合而成。
更进一步的，在光信息处理过程中，需要对光谱仪光学系统像面上得到的频谱图像和空间图像进行傅里叶分析，成像系统的成像质量会影响光信息处理的信噪比，为确保像面频谱信息的准确性，通过光信息处理信噪比，需要严格控制各种相差和各视场对应像点的非线性误差。要求成像光学系统光学传递函数接近理想光学系统的衍射极限，严格校正各种像差，并且通过控制各视场像点位置满足正弦条件，即控制像点不同视场ω＇对应的像高y＇＝f＇sinω＇，控制像点的非线性误差Δy＇＝f＇(sinω＇-tanω＇)小于探测器一个像元大小。
更进一步的，所述光学系统使用640×512长波红外焦平面制冷型探测器组件，像元间距25μm，探测器横向对应视场ω＝3.81°，可计算出红外光谱仪的最大光程差为L＝dsinω＝2mm，对应光谱仪光学系统的光谱分辨率σ＝1/L≤5cm-1。
在上述技术方案中，前组望远系统、SAGNAC干涉仪光学系统和后组成像系统采用硒化锌、硫化锌和单晶锗材料，在7.7～14.2μm长波红外波段具有较高透过率、性能稳定且易于加工的特点。
二、光学系统像质评价
图3至图5为本发明基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统光学成像质量数据图，其中：
图3为本发明长波红外成像光谱仪光学系统的传递函数图；
图4为本发明长波红外成像光谱仪光学系统的弥散斑；
图5为本发明长波红外成像光谱仪光学系统的场曲与畸变曲线。
进一步的，由图3～图5可知，本发明的长波红外成像光谱仪光学系统成像质量良好，满足成像质量要求。
综上所述，本发明的基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统采用了三角共光路的光学结构，具有高稳定性、高可靠性、抗冲击性等优点，同时保留干涉型成像光谱仪高光通量、高信噪比等优点，能够实际应用于机载、车载等平台。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，由物方至像方依次包括：扫描反射系统(L1)、前组望远系统(L2)、SAGNAC干涉仪系统(L3)和后组成像系统(L4)；
所述扫描反射系统(L1)由扫描反射镜(1)组成，通过扫描反射镜对探测器横向视场进行扫描，获得目标全视场的干涉图像，进行傅里叶变换复原全视场的光谱信息；
所述前组望远系统(L2)由共轴的前组望远透镜一(2)、前组望远透镜二(3)、前组望远透镜三(4)、前组望远透镜四(5)和前组望远透镜五(6)组成，用于将目标辐射能量压缩成小口径的平行光束；
所述SAGNAC干涉仪系统(L3)由分束镜(7)、反射镜一(8)和反射镜二(9)组成三角共光路结构，目标辐射能量通过分束镜(7)后被分为透射和反射两束光束，两束光束由反射镜一(8)和反射镜二(9)反射两次，再由分束镜(7)出射，形成两束相互平行的相干光束；
所述分束镜(7)与入射光轴呈45°夹角，所述反射镜一(8)和反射镜二(9)分别与入射光轴呈67.5°夹角，所述反射镜一(8)和反射镜二(9)相对分束镜(7)非对称设置，使干涉仪的横向剪切量为30mm；
所述后组成像系统(L4)由共轴的后组透镜一(10)、后组透镜二(11)、后组透镜三(12)、后组透镜四(13)和后组透镜五(14)组成，用于将所述相互平行的相干光束成像到红外探测器焦平面上，在所述红外探测器上同时获得目标的二维空间信息与实时光谱信息；
所述后组成像系统(L4)的焦距120mm，采用二次成像设计，整个光学系统出瞳与探测器冷屏重合；光谱仪光学系统的工作波段为长波红外7.7～14.2μm宽谱段，光谱仪光学系统的F数为2；所述前组望远系统、SAGNAC干涉仪系统和后组成像系统的透镜均采用硒化锌、硫化锌和单晶锗材料；所述光谱仪光学系统不同视场ω＇对应的像高y＇＝f＇sinω＇，所述光谱仪光学系统像点的非线性误差Δy＇＝f＇(sinω＇-tanω＇)小于红外探测器一个像元大小。
2.根据权利要求1所述的基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，所述红外探测器为集成式640×512长波红外焦平面制冷型探测器，像元间距25μm，所述红外探测器横向对应视场ω＝3.81°。
3.根据权利要求1所述的基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，所述光谱仪光学系统的光谱分辨率≤5cm-1，光谱仪的最大光程差为2mm。
4.根据权利要求3所述的基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，所述光谱仪光学系统采用二次成像设计，光学系统出瞳与红外探测器冷屏重合，达到100％冷光阑效率。
5.根据权利要求1所述的基于SAGNAC干涉仪的长波红外成像光谱仪光学系统，其特征在于，所述前组望远系统(L2)放大倍率为3。
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Citations (7)
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2021
- 2021-12-16 CN CN202111542133.8A patent/CN114216560B/zh active Active
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