一种M‑Z短波红外成像光谱仪的制作方法

技术领域：

本发明涉及一种干涉成像光谱技术，具体涉及一种短波红外宽视场成像光谱仪。

背景技术：
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成像光谱技术是非常重要的遥感技术之一，其主要技术指标包括空间分辨率、光谱分辨率和时间分辨率。要实现高的时间分辨率就要求光谱仪有宽视场覆盖能力。现有的遥感干涉成像光谱技术主要是基于sagnac干涉仪的实现技术，采用这种干涉仪在实现高分辨率探测的情况下光学成像光路往往采用前置望远系统来减小入射至干涉仪的通光口径，然而这种光路结构较难实现宽视场覆盖。

实现高分辨的光谱遥感探测往往需要光学系统有较长的焦距，长焦距系统采用透射式系统往往很难校正色差，尤其是在短波红外谱段，可用于校正色差的光学材料很少，因此长焦距光学系统往往采用无色差的全反射式的结构型式，而在全反射的光路中使用干涉仪又会引入纯反射式结构无法校正的色差。

技术实现要素：
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为了解决上述问题，本发明提出一种m‐z短波红外成像光谱仪，能有效地实现高分辨宽视场并工作于短波红外谱段的光谱探测。

本发明的解决方案如下：

该m‐z短波红外成像光谱仪，包括物镜成像系统以及设置于物镜成像系统后端会聚光路中的m‐z干涉仪；所述物镜成像系统采用正‐负‐正光焦度分配的无中间像面的离轴三反型式，包括沿光路走向依次设置的反射主镜、次镜组件、以及反射三镜，其中次镜组件为具有正负光焦度组合的透反镜组以满足像差校正需要；所述m‐z干涉仪主要由两块立方分束棱镜和两块带偏角的90°五角反射棱镜组成，当来自物镜的成像光束进入第一块立方分束棱镜后，光束被分成两束，分别进入上下两块90°五角反射棱镜中，两块90°五角反射棱镜分别将光线折转90°后进入第二块立方分束棱镜后合并，在像面处形成干涉图调制的目标景物图像。

基于以上方案，本发明还进一步作了如下优化：

第一种横向剪切的具体实现方式：两块立方分束棱镜所处空间位置无偏差，两块90°五角反射棱镜所处空间位置分别带有偏差和偏差，α为干涉仪横向剪切角。

第二种横向剪切的具体实现方式：其中一块立方分束棱镜所处空间位置带有的旋转角度，两块90°五角反射棱镜所处空间位置无偏差。

上述次镜组件主要由近无光焦度的两片透镜组成，其中位于反射三镜相对近端的第一透镜具有微量的负光焦度，位于反射三镜相对远端的第二透镜具有微量的正光焦度，次镜组件的反射面与所述第二透镜的左边的面共面，使第二透镜形成透反镜片。

上述次镜组件的所有光学表面均为球面。

上述次镜组件采用红外石英材料制成。

本发明具有以下有益效果：

1、整个系统的结构型式简单，易于实现高分辨宽覆盖的干涉高光谱成像以及校正色差。

2、容易实现所需光学元件的加工和系统装配调整。

附图说明：

图1为本发明的系统光路示意图。

图2为次镜组件示意图。

图3为本发明中改进的m‐z干涉仪原理示意图。

图4为像面干涉原理示意图。

具体实施方式：

本发明的系统光路如图1所示，基础的物镜成像结构采用经典的正‐负‐正光焦度分配的无中间像面的离轴三反型式，这种结构型式的长焦距反射式物镜能够实现宽视场覆盖，在物镜后端的会聚光路中放置改进设计的m‐z干涉仪，就可以实现宽覆盖高分辨的干涉光谱成像。

会聚光路中的干涉仪棱镜会带来球差和色差，而全反射的光路结构是无法实现色差校正的，因而本发明将全反射系统中的第二块反射镜(次镜)设计成具有正负光焦度组合的透反镜组，从而实现了像差的校正。

如图1所示，本发明的光路结构沿光路走向依次为反射主镜1、次镜组件2、反射三镜3、m‐z干涉仪组件4。

如图2所示，次镜组件是由近无光焦度的两片透镜组成，其中透镜2‐1具有微量的负光焦度，透镜2‐2具有微量的正光焦度，次反射镜和透镜2‐2其中的一个面共面设计，使透镜2‐2形成透反镜片，次镜组件的所有光学表面均由球面组成，具有良好的工艺性。

次镜组件的材料采用红外石英材料，实现了对短波红外干涉仪棱镜的色差及球差的校正。

m‐z干涉仪在离轴三反会聚光路中使用，本发明对常规的m‐z干涉仪作了改进。如图3所示，改进的m‐z干涉仪可认为是一种分振幅的双光束横向剪切干涉仪，由两块立方分束棱镜和两块带偏角的90°五角反射棱镜组成，当来自物镜的成像光束进入第一块分束棱镜后，光束被分成两束，分别进入上下两块五角反射棱镜中，两块五角反射棱镜分别将光线折转90°后进入第二块分束棱镜后合并，在像面处形成干涉图调制的目标景物图像。

如图4所示，像面干涉原理示意图，会聚光路中的横向剪切干涉仪是将入射光束剪切成两束具有一定夹角的相干光束，在像平面处形成两个具有相同夹角的成像面，沿像面剪切方向的干涉光程差δl有公式：

δl＝αy

式中α为干涉仪横向剪切角，y为成像面剪切方向的成像视场。

视场中心两个剪切像面的相交处为零光程差位置，对于轴外某一点a，光程差是两个剪切开的像点a’和a”的距离，因此对于会聚光路中的横向剪切干涉仪最大光程差δlm应满足在最大视场点处小于成像物镜的焦深要求。有如下公式：

δlm≤(2f)²λ

式中f为成像物镜的f数，λ为光谱仪工作波长。

会聚光路中的m‐z干涉仪实现横向剪切的基础方式是将两个90°五角反射棱镜分别设计成带有和偏差的棱镜，从第一块分束棱镜出射的光线经过两块五角反射棱镜后入射到第二块分束棱镜，经过第二块分束棱镜后光束形成夹角为α的两束相干光，在像面处会聚形成干涉。

同样的，m‐z干涉仪另一种实现横向剪切的方式如图3所示，将两个五棱镜设计为完全相同的参数，将其中的一个分束棱镜旋转的角度，光线经分束面后产生夹角为α的横向剪切，这种方式更加容易实现加工和装配调整。