新型制冷Dyson光譜儀設計

李西杰,鄒純博,吳思遠,鄭向濤

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

1 引 言

偽裝是戰爭中常用的戰術手段,通過普通的光學成像難以識別偽裝。光譜成像技術由于其光譜可以對物質進行分析和識別,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、位置和顏色(譜信息),大大提高了人類綜合信息獲取能力,并逐漸應用于科研探索、國民生產、生活和軍事國防的各個領域。

1997年,JPL,Jet Propulsion Laboratory[3]推出一款F數為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據。2001年,歐局在PROBA小衛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,光譜譜段數為62,空間分辨率為18 m。主要應用于地表、海岸帶、氣溶膠等應用領域的科學研究。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據,該高光譜光譜范圍0.35～1.08 μm,光譜通道數有128個通道,光譜分辨率為5.7 nm[6-7]。2018年[8],德國EnMap衛星搭載高光譜成像儀,用于收集關于土地覆蓋和地理分布的可靠數據信息。

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,可以實現每一個空間信息單元上的物質定性分析以及定量計算,光譜精細程度越高,物質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,設計了一款新型制冷Dyson光譜儀成像系統,該系統主要由前置物鏡、新型光柵Dyson同心結構光譜儀和二次制冷鏡組構成。該系統將新型Dyson光譜儀與二次制冷鏡組相結合,在保證系統高信噪比的同時,實現了系統大相對孔徑、體積小、重量輕等優點,為光譜成像領域提供了一種新的應用方法,是未來Dyson紅外光譜成像技術的發展方向。

2 新型制冷Dyson光譜儀成像系統設計原理

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合實現總體光譜成像的目的。根據使用要求計算出具體參數指標,根據計算出來的參數指標對各部分子系統進行優化設計,最終將各子系統進行拼接,完成新型制冷Dyson成像光譜儀的設計。

圖1 新型制冷Dyson光譜成像系統示意圖

2.1 新型Dyson光譜成像系統的設計原理

傳統Dyson結構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Dyson結構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致探測器的敏感面無法緊貼平凸透鏡面；二是探測器結構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結構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。

圖2 典型的光路復用光路系統

為了克服傳統Dyson系統帶來的工程難題,本文創新性的提出將光譜儀物面-像面分離的思想,物面-像面設計思想為:1)在傳統Dyson結構的基礎上,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計,并通過彎月透鏡和Dyson結構整體優化校正像差,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決定。通過平面反射鏡,對出射光線進行折轉,保證物相面的分離距離,最終設計出新型的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光譜儀系統原理圖

圖3新型Dyson結構原理圖物點-像點位于Dyson 結構中的兩側,光線偏折匯聚到透鏡和凹面鏡球心的兩側,由于離軸的原因,會使得系統產生大量的高階像差,高階像差的存在使得系統的弧矢場曲非常小,子午場曲很難校正。此時系統存在的主要像差為子午場曲和像散,在系統的相對孔徑比較大的情況下,系統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,系統的匹茲萬和可表示為:

(4)

在Dyson光學系統中,上式可轉換為:

(5)

∑S1v=0

(6)

2.2 二次制冷鏡組系統設計原理

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,必須對光學系統實現100 %的冷闌效應[11]。

所設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物空間的距離,S′為一次完善像面所對應像空間的距離；EXP1為一次成像系統中心波長的出瞳位置,EXP2為一次成像系統出瞳經過二次成像鏡組所成的像,即為冷光闌的位置[12-13]。

根據高斯公式,由圖5 可以得到如下關系:

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光譜儀成像系統設計

3.1 系統主要性能指標以及設計參數

根據實際使用需求,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。本次設計的指標參數如表1所示。

表1 系統設計指標

3.2 新型Dyson分光系統設計

本文采用凹面光柵作為核心分光元件的新型Dyson型光譜成像系統進行分光設計,圖6為新型Dyson型光譜分光成像系統結構示意圖,圖7為不同波長下光譜成像系統點列圖,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,系統工程可行性好,成像質量良好。

圖6 新型Dyson分光成像系統結構示意圖

圖7 不同波長下的點列圖

(a)6 μm

(b)9 μm

(c)12.5 μm

3.3 二次制冷系統設計

由本次設計所選用的探測器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自身熱輻射引入的噪聲,提高光譜系統的探測能力,該探測器要求光闌到光敏面的距離為20 mm,在長波范圍內,選取10 μm為系統工作的中心波長,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,并將系統的光闌設置為冷光闌,優化像差得到圖9所示的結構。二次成像組的點列圖如圖10所示,二次成像組的傳遞函數圖如圖11所示。

圖9 二次制冷鏡組光路圖

圖10 二次制冷系統點列圖

圖11 二次制冷系統傳遞函數圖

4 系統整體設計及像質評價

制冷光譜儀可以提高系統的探測靈敏度,為了使不同波長處的出瞳位置一致,實現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,實現系統100 %制冷的效果。整體系統結構圖如圖12所示。

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

圖12 系統制冷光譜儀結構圖

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,系統的不同波段下的點列圖接近衍射極限。系統在波長8 μm、9.5 μm、11 μm、12 μm下的傳遞函數圖如圖14所示,從傳遞函數圖中可以看出,系統在17 lp/mm下,不同波長下的傳遞函數接近衍射極限。系統在波長為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,系統的相差已經得到了很好的校正。

圖13 系統點列圖

圖14 系統在不同波段下的傳遞函數圖

圖15 系統在不同波段下的像差曲線圖

5 總 結

本文研究了一種新型制冷Dyson光譜成像技術,創新性的提出物面-像面分離的設計思想,設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,根據新型Dyson像差原理圖,推導了系統的離軸像差理論,為后期系統像差校正起到指導性作用。利用二次成像原理圖,完成系統二次成像組結構參數的相關計算,通過像差優化,設計出系統的二次成像鏡組,完成不同波段出瞳距的一致性,實現系統100 %制冷。最終設計結果滿足工程使用需求,系統譜線彎曲小于20 μm,色畸變小于35 μm,在波長為8 μm、9.5 μm、11 μm、12.5 μm時,系統的點列圖、傳遞函數圖接近衍射極限。