[发明专利]基于SAGNAC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。

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。