李西杰,鄒純博,吳思遠,鄭向濤

(中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機械研究所 光譜成像技術(shù)重點實驗室,陜西 西安 710119)

1 引 言

偽裝是戰(zhàn)爭中常用的戰(zhàn)術(shù)手段,通過普通的光學(xué)成像難以識別偽裝。光譜成像技術(shù)由于其光譜可以對物質(zhì)進行分析和識別,因此可以輕易識別偽裝目標,并且能夠自動智能的識別出異常目標,揭露偽裝物體[1-2]。不同工作波段光譜儀的所能分辨的光譜特性差異很大,長波紅外光譜儀不僅可以識別目標物體細微光譜特性,也可以同時獲取目標的形態(tài)、位置和顏色(譜信息),大大提高了人類綜合信息獲取能力,并逐漸應(yīng)用于科研探索、國民生產(chǎn)、生活和軍事國防的各個領(lǐng)域。

1997年,JPL,Jet Propulsion Laboratory[3]推出一款F數(shù)為1,工作波段為7.5～14 μm,光譜分辨率為100 nm,空間分辨率為3.6 mrad,視場為4°的氣體檢測光譜儀。2003年,美國的諾格公司[4]采用平面光柵色散原理,研制了一臺工作波長為8～12.5 μm,F數(shù)為2.5,光譜分辨率為35 nm,空間分辨率為0.9 mrad,成像視場角度為6.6°制冷紅外光譜儀,以獲得高光譜遙感數(shù)據(jù)。2001年,歐局在PROBA小衛(wèi)星上搭載了一臺光譜儀[5],該光譜儀主要是基于棱鏡色散原理進行分光,光譜范圍為可見近紅外,光譜譜段數(shù)為62,空間分辨率為18 m。主要應(yīng)用于地表、海岸帶、氣溶膠等應(yīng)用領(lǐng)域的科學(xué)研究。2009年,由美軍研究實驗室研制的海洋觀測高光譜成像儀在太空空間站上,獲取到了大量的海洋高光譜數(shù)據(jù),該高光譜光譜范圍0.35～1.08 μm,光譜通道數(shù)有128個通道,光譜分辨率為5.7 nm[6-7]。2018年[8],德國EnMap衛(wèi)星搭載高光譜成像儀,用于收集關(guān)于土地覆蓋和地理分布的可靠數(shù)據(jù)信息。

紅外光譜儀的工作原理是利用物體自身的熱輻射進行探測[9-10],利用紅外輻射光譜信息,可以實現(xiàn)每一個空間信息單元上的物質(zhì)定性分析以及定量計算,光譜精細程度越高,物質(zhì)的定性分析和定量計算能力就越強。

本文基于像素為500×256的長波制冷型焦平面陣列探測器,設(shè)計了一款新型制冷Dyson光譜儀成像系統(tǒng),該系統(tǒng)主要由前置物鏡、新型光柵Dyson同心結(jié)構(gòu)光譜儀和二次制冷鏡組構(gòu)成。該系統(tǒng)將新型Dyson光譜儀與二次制冷鏡組相結(jié)合,在保證系統(tǒng)高信噪比的同時,實現(xiàn)了系統(tǒng)大相對孔徑、體積小、重量輕等優(yōu)點,為光譜成像領(lǐng)域提供了一種新的應(yīng)用方法,是未來Dyson紅外光譜成像技術(shù)的發(fā)展方向。

2 新型制冷Dyson光譜儀成像系統(tǒng)設(shè)計原理

新型制冷Dyson光譜儀分別由前置物鏡、物面-像面分離新型Dyson光譜儀和二次制冷成像部分組成如圖1所示。在實際使用過程中,新型Dyson光譜儀和二次制冷成像的完美結(jié)合實現(xiàn)總體光譜成像的目的。根據(jù)使用要求計算出具體參數(shù)指標,根據(jù)計算出來的參數(shù)指標對各部分子系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計,最終將各子系統(tǒng)進行拼接,完成新型制冷Dyson成像光譜儀的設(shè)計。

圖1 新型制冷Dyson光譜成像系統(tǒng)示意圖

2.1 新型Dyson光譜成像系統(tǒng)的設(shè)計原理

傳統(tǒng)Dyson結(jié)構(gòu)的光譜成像儀原型由一塊平凸透鏡、一個凹面光柵以及入射狹縫、接收探測器組成。其中,入射狹縫和探測器接收面均位于平凸透鏡的平面上,如圖2所示。傳統(tǒng)Dyson結(jié)構(gòu)光譜儀在工程中存在兩個主要問題,一是探測器的窗口封裝導(dǎo)致探測器的敏感面無法緊貼平凸透鏡面；二是探測器結(jié)構(gòu)封裝和相機電路板制作,使相機的外形尺寸遠遠大于探測器靶面尺寸,而Dyson結(jié)構(gòu)光譜儀原型要求靶面和狹縫距離只有幾十毫米的距離,使相機組件和狹縫組件以及前置望遠鏡組件在空間排布上無法實現(xiàn)。

圖2 典型的光路復(fù)用光路系統(tǒng)

為了克服傳統(tǒng)Dyson系統(tǒng)帶來的工程難題,本文創(chuàng)新性的提出將光譜儀物面-像面分離的思想,物面-像面設(shè)計思想為:1)在傳統(tǒng)Dyson結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,將光譜儀的物面和像面強制拉出平凸透鏡表面,同時加入彎月透鏡校正像差；2)強制將物面-像面在子午方向進行分離設(shè)計,并通過彎月透鏡和Dyson結(jié)構(gòu)整體優(yōu)化校正像差,物面和像面的距離由入射光線到達平凸透鏡凸面時的通光口徑?jīng)Q定。通過平面反射鏡,對出射光線進行折轉(zhuǎn),保證物相面的分離距離,最終設(shè)計出新型的Dyson光譜儀。新型Dyson成像光譜儀主要由平凸透鏡和凹面光柵組成,其中起匯聚作用的平凸透鏡的曲率半徑為r,凹面光柵的曲率半徑為R,平凸透鏡和凹面光柵具有共同的球心C,如圖 3所示。系統(tǒng)的視場光闌位于凹面光柵上,起到限制光束和壓縮口徑的作用。并且平凸透鏡的焦點位于凹面光柵上,若厚透鏡的折射率為n,則有:

(1)

圖3 新型Dyson光譜儀系統(tǒng)原理圖

圖3新型Dyson結(jié)構(gòu)原理圖物點-像點位于Dyson 結(jié)構(gòu)中的兩側(cè),光線偏折匯聚到透鏡和凹面鏡球心的兩側(cè),由于離軸的原因,會使得系統(tǒng)產(chǎn)生大量的高階像差,高階像差的存在使得系統(tǒng)的弧矢場曲非常小,子午場曲很難校正。此時系統(tǒng)存在的主要像差為子午場曲和像散,在系統(tǒng)的相對孔徑比較大的情況下,系統(tǒng)主光線的入射角和主光線出射角度會存在很大的偏差。新型Dyson系統(tǒng)的像差原理如圖4所示。

圖4 新型Dyson像差原理圖

其中,p為物點;p′為像點;L為系統(tǒng)的公共球心C到入射光線和出射光線的距離;dx為主光線在透鏡表面上與理想系統(tǒng)主光線的偏移距離,假如所使用的透鏡材料的折射率為n,則dx可用下面公式來表示:

(2)

S即為理想像面與真實像面之間的距離,即可表示為:

(3)

在近軸條件下,系統(tǒng)的匹茲萬和可表示為:

(4)

在Dyson光學(xué)系統(tǒng)中,上式可轉(zhuǎn)換為:

(5)

∑S1v=0

(6)

2.2 二次制冷鏡組系統(tǒng)設(shè)計原理

二次成像冷光闌制冷可以使得長波紅外光譜成像儀獲得非常高的探測靈敏度,可應(yīng)用于遠距離遙感探測、反偽裝偵查以及隱形目標的探測成像。二次成像冷光闌制冷的作用主要是有效的避免由于視場外的背景輻射強度通過冷窗進入像面,為了保證視場外的背景輻射不被像面接收到,必須對光學(xué)系統(tǒng)實現(xiàn)100 %的冷闌效應(yīng)[11]。

所設(shè)計的二次成像組的垂軸放大率為-1,其二次成像原理示意圖如圖5所示,其中I1為一次像面的完善像,I2為一次像面經(jīng)過制冷鏡組所成在像面上的完善像；S為一次完善像面所對應(yīng)物空間的距離,S′為一次完善像面所對應(yīng)像空間的距離；EXP1為一次成像系統(tǒng)中心波長的出瞳位置,EXP2為一次成像系統(tǒng)出瞳經(jīng)過二次成像鏡組所成的像,即為冷光闌的位置[12-13]。

根據(jù)高斯公式,由圖5 可以得到如下關(guān)系:

圖5 二次成像原理示意圖

(7)

(8)

式中,lstop為制冷窗口到探測器的軸向距離;lexp1為一次成像系統(tǒng)的出瞳位置到一次完善像面的軸向距離;f′為二次制冷成像鏡組的焦距。

3 新型制冷Dyson光譜儀成像系統(tǒng)設(shè)計

3.1 系統(tǒng)主要性能指標以及設(shè)計參數(shù)

根據(jù)實際使用需求,選用像素為500×320紅外制冷型焦平面探測器,單個像素尺寸為30 μm×30 μm。本次設(shè)計的指標參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)計指標

3.2 新型Dyson分光系統(tǒng)設(shè)計

本文采用凹面光柵作為核心分光元件的新型Dyson型光譜成像系統(tǒng)進行分光設(shè)計,圖6為新型Dyson型光譜分光成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖,圖7為不同波長下光譜成像系統(tǒng)點列圖,圖8為不同波長下的MTF曲線。

圖8表明新型Dyson型光譜分光成像系統(tǒng)在不同波長下的點列斑均小于單個像元大小,MTF曲線均接近衍射極限,系統(tǒng)工程可行性好,成像質(zhì)量良好。

圖6 新型Dyson分光成像系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖

圖7 不同波長下的點列圖

(a)6 μm

(b)9 μm

(c)12.5 μm

3.3 二次制冷系統(tǒng)設(shè)計

由本次設(shè)計所選用的探測器F#=2可知u0=0.25；本文使用紅外制冷型探測器可以有效抑制光譜系統(tǒng)自身熱輻射引入的噪聲,提高光譜系統(tǒng)的探測能力,該探測器要求光闌到光敏面的距離為20 mm,在長波范圍內(nèi),選取10 μm為系統(tǒng)工作的中心波長,由公式(7)和(8)計算的f′=36.618 mm,S=-S′=-73.236 mm。將得到的f、S、S′代入,并將系統(tǒng)的光闌設(shè)置為冷光闌,優(yōu)化像差得到圖9所示的結(jié)構(gòu)。二次成像組的點列圖如圖10所示,二次成像組的傳遞函數(shù)圖如圖11所示。

圖9 二次制冷鏡組光路圖

圖10 二次制冷系統(tǒng)點列圖

圖11 二次制冷系統(tǒng)傳遞函數(shù)圖

4 系統(tǒng)整體設(shè)計及像質(zhì)評價

制冷光譜儀可以提高系統(tǒng)的探測靈敏度,為了使不同波長處的出瞳位置一致,實現(xiàn)100%制冷的效果,在光譜儀后端再進行二次成像,使光譜儀的冷光闌后置,實現(xiàn)系統(tǒng)100 %制冷的效果。整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖12所示。

為了解決Dyson光譜儀的空間排布問題和工程實現(xiàn)問題,本文設(shè)計了一款大視場,大相對孔徑新型制冷Dyson光譜儀。

圖12 系統(tǒng)制冷光譜儀結(jié)構(gòu)圖

新型制冷 Dyson 高光譜成像儀在波長 8 μm、9.5 μm、11 μm、12 μm下的點列圖如圖13所示,從圖中可以看出,系統(tǒng)的不同波段下的點列圖接近衍射極限。系統(tǒng)在波長8 μm、9.5 μm、11 μm、12 μm下的傳遞函數(shù)圖如圖14所示,從傳遞函數(shù)圖中可以看出,系統(tǒng)在17 lp/mm下,不同波長下的傳遞函數(shù)接近衍射極限。系統(tǒng)在波長為8 μm、9.5 μm、11 μm、12 μm下的像差曲線圖如圖15所示,從圖中可以看出,系統(tǒng)的相差已經(jīng)得到了很好的校正。

圖13 系統(tǒng)點列圖

圖14 系統(tǒng)在不同波段下的傳遞函數(shù)圖

圖15 系統(tǒng)在不同波段下的像差曲線圖

5 總 結(jié)

本文研究了一種新型制冷Dyson光譜成像技術(shù),創(chuàng)新性的提出物面-像面分離的設(shè)計思想,設(shè)計出一款相對孔徑為1/2、口徑為50 mm,波長范圍為8～12 μm的新型Dyson光譜儀,根據(jù)新型Dyson像差原理圖,推導(dǎo)了系統(tǒng)的離軸像差理論,為后期系統(tǒng)像差校正起到指導(dǎo)性作用。利用二次成像原理圖,完成系統(tǒng)二次成像組結(jié)構(gòu)參數(shù)的相關(guān)計算,通過像差優(yōu)化,設(shè)計出系統(tǒng)的二次成像鏡組,完成不同波段出瞳距的一致性,實現(xiàn)系統(tǒng)100 %制冷。最終設(shè)計結(jié)果滿足工程使用需求,系統(tǒng)譜線彎曲小于20 μm,色畸變小于35 μm,在波長為8 μm、9.5 μm、11 μm、12.5 μm時,系統(tǒng)的點列圖、傳遞函數(shù)圖接近衍射極限。