[发明专利]一种偏轴球面蓝宝石棱镜中波红外成像光谱仪

说明书

技术领域

本发明涉及一种中波红外成像光谱仪，具体涉及一种偏轴球面蓝宝石棱镜中波红外成像光谱仪。

背景技术

高光谱成像技术在遥感领域有着重要应用，目前公开的高光谱成像仪主要工作在可见光、近红外、短波红外波段。中波红外高光谱成像仪技术难度大，目前仅见的技术方案是利用光栅分光。

光栅分光成像光谱仪分为平面光栅、凹面光栅、凸面光栅三种，相比较而言，基于平面光栅和凹面光栅的成像光谱仪存在较严重的光谱弯曲；而中波红外凸面光栅成像光谱仪虽然像质好，但刻线密度通常较低，实现闪耀的成本很高。

目前仅见公开的芬兰Specim公司研制M50中波成像光谱仪的光学效率约为40%。

本发明提出的基于偏轴球面蓝宝石棱镜的成像光谱仪，像质优良，光学效率高（可以达到80%以上），可以广泛应用于中波红外高光谱成像仪的研制与应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种像质优良、分光效率高的中波红外成像光谱仪，解决现有光谱仪存在的光学效率低、成像质量不理想的技术问题。

本发明所采用的技术方案是：一种棱镜光谱仪系统，参见图1，采用离轴折反式光学结构，光线经物镜成像在狭缝面1上，依次经过狭缝1、准直反射镜2、偏轴球面蓝宝石棱镜3、汇聚反射镜4，最终会聚成像到探测器光敏面5。系统满足物、像方远心。

所述的反射镜2为离轴使用的凹扁球形反射面；

所述的偏轴球面蓝宝石棱镜3的第一面301和第二面302的光学表面均为球面，其中第一面301为内反射面，第二面302为透射表面，经反射镜2反射的光线先经过第二面302，再经过第一面301内反射后，再由第二面302射向汇聚反射镜4；

所述的汇聚反射镜4为离轴使用的凹椭球形反射面；

如附图2所示，所述各光学面的光轴或法线存在相对偏转关系，其中：

所述狭缝1所在平面的法线与凹面反射镜2的光轴平行；

偏轴球面蓝宝石3的第一面301光轴与准直反射镜2光轴偏置，之间的偏角为α；

偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴与第一面301光轴偏置，之间的偏角为β；

汇聚反射镜4光轴与偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴偏置，之间的偏角为γ；

探测器光敏面所在平面的法线相对于汇聚反射镜4光轴偏置，之间的偏角为δ。

本发明的优点是：

相比传统光谱仪，该棱镜光谱仪系统结构简单，体积小，重量轻，像质好，光学效率高。

附图说明

图1偏轴球面蓝宝石棱镜成像光谱仪光学结构。

图2各光学表面相对偏轴示意图。

图3实施案例设计传递函数(2.5μm波段)。

图4实施案例设计传递函数(3.4μm波段)。

图5实施案例设计传递函数(4.2μm波段)。

图6实施案例设计传递函数(5.0μm波段)。

具体实施方式

根据上述技术方案，设计了一个偏轴球面蓝宝石中波红外棱镜光谱仪，F#=2.5，工作波段为2.5μm-5μm，狭缝长度12mm，色散宽度1.8mm(采用30μm像元，可以实现60个波段的探测)。镜片参数如下表：

镜片参数表

其中准直反射镜2相对狭缝1偏离24mm；

偏轴球面蓝宝石3的第一面301光轴与准直反射镜2光轴之间偏角α=7.9444°；

偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴与第一面301光轴之间偏角β=8.0191°；

汇聚反射镜4光轴与偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴之间偏角γ=4.1194°；

汇聚反射镜4光轴与偏轴球面蓝宝石3的第二面302光轴之间偏角为δ=4.1556°。

参见附图3、图4、图5、图6是实例所述的光学系统的调制传递函数曲线，可以看出，系统MTF大于0.5，满足成像要求。