新型制冷Dyson光譜儀設(shè)計(jì)

李西杰,鄒純博,吳思遠(yuǎn),鄭向濤

(中國(guó)科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所 光譜成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西 西安 710119)

1 引 言

偽裝是戰(zhàn)爭(zhēng)中常用的戰(zhàn)術(shù)手段,通過普通的光學(xué)成像難以識(shí)別偽裝。光譜成像技術(shù)由于其光譜可以對(duì)物質(zhì)進(jìn)行分析和識(shí)別,因此可以輕易識(shí)別偽裝目標(biāo),并且能夠自動(dòng)智能的識(shí)別出異常目標(biāo),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(zhǎng)波紅外光譜儀不僅可以識(shí)別目標(biāo)物體細(xì)微光譜特性,也可以同時(shí)獲取目標(biāo)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(guó)民生產(chǎn)、生活和軍事國(guó)防的各個(gè)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(chǎng)為4°的氣體檢測(cè)光譜儀。2003年,美國(guó)的諾格公司[4]采用平面光柵色散原理,研制了一臺(tái)工作波長(zhǎng)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(chǎng)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(tái)光譜儀[5],該光譜儀主要是基于棱鏡色散原理進(jìn)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(shí)驗(yàn)室研制的海洋觀測(cè)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(gè)通道,光譜分辨率為5.7 nm[6-7]。2018年[8],德國(guó)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(jìn)行探測(cè)[9-10],利用紅外輻射光譜信息,可以實(shí)現(xiàn)每一個(gè)空間信息單元上的物質(zhì)定性分析以及定量計(jì)算,光譜精細(xì)程度越高,物質(zhì)的定性分析和定量計(jì)算能力就越強(qiáng)。

本文基于像素為500×256的長(zhǎng)波制冷型焦平面陣列探測(cè)器,設(shè)計(jì)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(shí),實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)大相對(duì)孔徑、體積小、重量輕等優(yōu)點(diǎn),為光譜成像領(lǐng)域提供了一種新的應(yīng)用方法,是未來(lái)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(jì)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(shí)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(shí)現(xiàn)總體光譜成像的目的。根據(jù)使用要求計(jì)算出具體參數(shù)指標(biāo),根據(jù)計(jì)算出來(lái)的參數(shù)指標(biāo)對(duì)各部分子系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),最終將各子系統(tǒng)進(jìn)行拼接,完成新型制冷Dyson成像光譜儀的設(shè)計(jì)。

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(jì)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(gè)凹面光柵以及入射狹縫、接收探測(cè)器組成。其中,入射狹縫和探測(cè)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(gè)主要問題,一是探測(cè)器的窗口封裝導(dǎo)致探測(cè)器的敏感面無(wú)法緊貼平凸透鏡面；二是探測(cè)器結(jié)構(gòu)封裝和相機(jī)電路板制作,使相機(jī)的外形尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于探測(cè)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(jī)組件和狹縫組件以及前置望遠(yuǎn)鏡組件在空間排布上無(wú)法實(shí)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(lái)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(jì)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(qiáng)制拉出平凸透鏡表面,同時(shí)加入彎月透鏡校正像差；2)強(qiáng)制將物面-像面在子午方向進(jìn)行分離設(shè)計(jì),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(dá)平凸透鏡凸面時(shí)的通光口徑?jīng)Q定。通過平面反射鏡,對(duì)出射光線進(jìn)行折轉(zhuǎn),保證物相面的分離距離,最終設(shè)計(jì)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(chǎng)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(diǎn)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(diǎn)-像點(diǎn)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(huì)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(chǎng)曲非常小,子午場(chǎng)曲很難校正。此時(shí)系統(tǒng)存在的主要像差為子午場(chǎng)曲和像散,在系統(tǒng)的相對(duì)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(huì)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(diǎn);p′為像點(diǎn);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(lái)表示:

(2)

S即為理想像面與真實(shí)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(wàn)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(jì)原理

二次成像冷光闌制冷可以使得長(zhǎng)波紅外光譜成像儀獲得非常高的探測(cè)靈敏度,可應(yīng)用于遠(yuǎn)距離遙感探測(cè)、反偽裝偵查以及隱形目標(biāo)的探測(cè)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(chǎng)外的背景輻射強(qiáng)度通過冷窗進(jìn)入像面,為了保證視場(chǎng)外的背景輻射不被像面接收到,必須對(duì)光學(xué)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)100 %的冷闌效應(yīng)[11]。

所設(shè)計(jì)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(duì)應(yīng)物空間的距離,S′為一次完善像面所對(duì)應(yīng)像空間的距離；EXP1為一次成像系統(tǒng)中心波長(zhǎng)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(cè)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(jì)

3.1 系統(tǒng)主要性能指標(biāo)以及設(shè)計(jì)參數(shù)

根據(jù)實(shí)際使用需求,選用像素為500×320紅外制冷型焦平面探測(cè)器,單個(gè)像素尺寸為30 μm×30 μm。本次設(shè)計(jì)的指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)指標(biāo)

3.2 新型Dyson分光系統(tǒng)設(shè)計(jì)

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(jìn)行分光設(shè)計(jì),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(zhǎng)下光譜成像系統(tǒng)點(diǎn)列圖,圖8為不同波長(zhǎng)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(zhǎng)下的點(diǎn)列斑均小于單個(gè)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(zhǎng)下的點(diǎn)列圖

(a)6 μm

(b)9 μm

(c)12.5 μm

3.3 二次制冷系統(tǒng)設(shè)計(jì)

由本次設(shè)計(jì)所選用的探測(cè)器F#=2可知u0=0.25；本文使用紅外制冷型探測(cè)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(cè)能力,該探測(cè)器要求光闌到光敏面的距離為20 mm,在長(zhǎng)波范圍內(nèi),選取10 μm為系統(tǒng)工作的中心波長(zhǎng),由公式(7)和(8)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(jì)及像質(zhì)評(píng)價(jià)

制冷光譜儀可以提高系統(tǒng)的探測(cè)靈敏度,為了使不同波長(zhǎng)處的出瞳位置一致,實(shí)現(xiàn)100%制冷的效果,在光譜儀后端再進(jìn)行二次成像,使光譜儀的冷光闌后置,實(shí)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(shí)現(xiàn)問題,本文設(shè)計(jì)了一款大視場(chǎng),大相對(duì)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(zhǎng) 8 μm、9.5 μm、11 μm、12 μm下的點(diǎn)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(diǎn)列圖接近衍射極限。系統(tǒng)在波長(zhǎng)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(zhǎng)下的傳遞函數(shù)接近衍射極限。系統(tǒng)在波長(zhǎng)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(diǎn)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(jì)思想,設(shè)計(jì)出一款相對(duì)孔徑為1/2、口徑為50 mm,波長(zhǎng)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(jì)算,通過像差優(yōu)化,設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)系統(tǒng)100 %制冷。最終設(shè)計(jì)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(zhǎng)為8 μm、9.5 μm、11 μm、12.5 μm時(shí),系統(tǒng)的點(diǎn)列圖、傳遞函數(shù)圖接近衍射極限。