大孔径红外成像光谱仪前置物镜设计与优化

本文主要探讨了大孔径前置物镜在成像光谱仪中的关键设计问题，特别是在时空联合调制型傅里叶变换系统中的应用。这种光谱仪的特点是结合了阶梯微反射镜和片状分束器，它们对于前置成像系统的要求极为严格，不仅需要与阶梯微反射镜的参数匹配，还要具备实入瞳（即光线能够直接进入物镜的光轴）和像方远心（成像中心与光轴的距离远小于焦距）的特性。这些特性对于确保光谱仪的高分辨率和稳定性至关重要。 研究者首先针对如何将标准的红外物镜改造为具有实入瞳和像方远心的结构进行了深入研究。通过调整物镜的设计，例如采用特殊的镜面形状或者非球面技术，使得光束能够在不偏离主轴的情况下有效地聚焦，从而满足上述要求。这一步骤对保证光路的精确性和成像质量至关重要。 此外，文中还着重分析了片状分束器和补偿板可能带来的离轴像差问题。由于这些元件会引入额外的色散和畸变，因此设计者提出了一种结合柱面和泽尼克面的校正方法。柱面镜可以纠正部分径向色差，而泽尼克面则有助于减少彗差，通过这种方式，能够显著提升成像系统的整体性能。 设计的目标是构建一个覆盖3~5微米光谱范围、F数为4（表示光线聚焦的能力，F数越小意味着镜头的光学性能越好）、有效焦距为400毫米、视场宽度为4.58°的红外光学系统。这个系统在全视场范围内实现了无渐晕效果，这意味着在成像区域内，亮度分布均匀，不会随着视角变化而出现明显的亮度衰减。 最终的仿真结果显示，前置成像系统的成像质量接近衍射极限，这意味着其性能接近理论上的最佳状态。最大的全视场平均光斑直径为5.9微米，这是一个非常优秀的成像质量指标。这项研究的成果为大孔径时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪的前置物镜设计提供了有效的解决方案，可以广泛应用于红外光谱学的各个领域，如遥感、大气监测和材料分析等。