新型制冷Dyson光谱仪设计

李西杰,邹纯博,吴思远,郑向涛

(中国科学院西安光学精密机械研究所 光谱成像技术重点实验室,陕西 西安 710119)

1 引 言

伪装是战争中常用的战术手段,通过普通的光学成像难以识别伪装。光谱成像技术由于其光谱可以对物质进行分析和识别,因此可以轻易识别伪装目标,并且能够自动智能的识别出异常目标,揭露伪装物体[1-2]。不同工作波段光谱仪的所能分辨的光谱特性差异很大,长波红外光谱仪不仅可以识别目标物体细微光谱特性,也可以同时获取目标的形态、位置和颜色(谱信息),大大提高了人类综合信息获取能力,并逐渐应用于科研探索、国民生产、生活和军事国防的各个领域。

1997年,JPL,Jet Propulsion Laboratory[3]推出一款F数为1,工作波段为7.5～14 μm,光谱分辨率为100 nm,空间分辨率为3.6 mrad,视场为4°的气体检测光谱仪。2003年,美国的诺格公司[4]采用平面光栅色散原理,研制了一台工作波长为8～12.5 μm,F数为2.5,光谱分辨率为35 nm,空间分辨率为0.9 mrad,成像视场角度为6.6°制冷红外光谱仪,以获得高光谱遥感数据。2001年,欧局在PROBA小卫星上搭载了一台光谱仪[5],该光谱仪主要是基于棱镜色散原理进行分光,光谱范围为可见近红外,光谱谱段数为62,空间分辨率为18 m。主要应用于地表、海岸带、气溶胶等应用领域的科学研究。2009年,由美军研究实验室研制的海洋观测高光谱成像仪在太空空间站上,获取到了大量的海洋高光谱数据,该高光谱光谱范围0.35～1.08 μm,光谱通道数有128个通道,光谱分辨率为5.7 nm[6-7]。2018年[8],德国EnMap卫星搭载高光谱成像仪,用于收集关于土地覆盖和地理分布的可靠数据信息。

红外光谱仪的工作原理是利用物体自身的热辐射进行探测[9-10],利用红外辐射光谱信息,可以实现每一个空间信息单元上的物质定性分析以及定量计算,光谱精细程度越高,物质的定性分析和定量计算能力就越强。

本文基于像素为500×256的长波制冷型焦平面阵列探测器,设计了一款新型制冷Dyson光谱仪成像系统,该系统主要由前置物镜、新型光栅Dyson同心结构光谱仪和二次制冷镜组构成。该系统将新型Dyson光谱仪与二次制冷镜组相结合,在保证系统高信噪比的同时,实现了系统大相对孔径、体积小、重量轻等优点,为光谱成像领域提供了一种新的应用方法,是未来Dyson红外光谱成像技术的发展方向。

2 新型制冷Dyson光谱仪成像系统设计原理

新型制冷Dyson光谱仪分别由前置物镜、物面-像面分离新型Dyson光谱仪和二次制冷成像部分组成如图1所示。在实际使用过程中,新型Dyson光谱仪和二次制冷成像的完美结合实现总体光谱成像的目的。根据使用要求计算出具体参数指标,根据计算出来的参数指标对各部分子系统进行优化设计,最终将各子系统进行拼接,完成新型制冷Dyson成像光谱仪的设计。

图1 新型制冷Dyson光谱成像系统示意图

2.1 新型Dyson光谱成像系统的设计原理

传统Dyson结构的光谱成像仪原型由一块平凸透镜、一个凹面光栅以及入射狭缝、接收探测器组成。其中,入射狭缝和探测器接收面均位于平凸透镜的平面上,如图2所示。传统Dyson结构光谱仪在工程中存在两个主要问题,一是探测器的窗口封装导致探测器的敏感面无法紧贴平凸透镜面；二是探测器结构封装和相机电路板制作,使相机的外形尺寸远远大于探测器靶面尺寸,而Dyson结构光谱仪原型要求靶面和狭缝距离只有几十毫米的距离,使相机组件和狭缝组件以及前置望远镜组件在空间排布上无法实现。

图2 典型的光路复用光路系统

为了克服传统Dyson系统带来的工程难题,本文创新性的提出将光谱仪物面-像面分离的思想,物面-像面设计思想为:1)在传统Dyson结构的基础上,将光谱仪的物面和像面强制拉出平凸透镜表面,同时加入弯月透镜校正像差；2)强制将物面-像面在子午方向进行分离设计,并通过弯月透镜和Dyson结构整体优化校正像差,物面和像面的距离由入射光线到达平凸透镜凸面时的通光口径决定。通过平面反射镜,对出射光线进行折转,保证物相面的分离距离,最终设计出新型的Dyson光谱仪。新型Dyson成像光谱仪主要由平凸透镜和凹面光栅组成,其中起汇聚作用的平凸透镜的曲率半径为r,凹面光栅的曲率半径为R,平凸透镜和凹面光栅具有共同的球心C,如图 3所示。系统的视场光阑位于凹面光栅上,起到限制光束和压缩口径的作用。并且平凸透镜的焦点位于凹面光栅上,若厚透镜的折射率为n,则有:

(1)

图3 新型Dyson光谱仪系统原理图

图3新型Dyson结构原理图物点-像点位于Dyson 结构中的两侧,光线偏折汇聚到透镜和凹面镜球心的两侧,由于离轴的原因,会使得系统产生大量的高阶像差,高阶像差的存在使得系统的弧矢场曲非常小,子午场曲很难校正。此时系统存在的主要像差为子午场曲和像散,在系统的相对孔径比较大的情况下,系统主光线的入射角和主光线出射角度会存在很大的偏差。新型Dyson系统的像差原理如图4所示。

图4 新型Dyson像差原理图

其中,p为物点;p′为像点;L为系统的公共球心C到入射光线和出射光线的距离;dx为主光线在透镜表面上与理想系统主光线的偏移距离,假如所使用的透镜材料的折射率为n,则dx可用下面公式来表示:

(2)

S即为理想像面与真实像面之间的距离,即可表示为:

(3)

在近轴条件下,系统的匹兹万和可表示为:

(4)

在Dyson光学系统中,上式可转换为:

(5)

∑S1v=0

(6)

2.2 二次制冷镜组系统设计原理

二次成像冷光阑制冷可以使得长波红外光谱成像仪获得非常高的探测灵敏度,可应用于远距离遥感探测、反伪装侦查以及隐形目标的探测成像。二次成像冷光阑制冷的作用主要是有效的避免由于视场外的背景辐射强度通过冷窗进入像面,为了保证视场外的背景辐射不被像面接收到,必须对光学系统实现100 %的冷阑效应[11]。

所设计的二次成像组的垂轴放大率为-1,其二次成像原理示意图如图5所示,其中I1为一次像面的完善像,I2为一次像面经过制冷镜组所成在像面上的完善像；S为一次完善像面所对应物空间的距离,S′为一次完善像面所对应像空间的距离；EXP1为一次成像系统中心波长的出瞳位置,EXP2为一次成像系统出瞳经过二次成像镜组所成的像,即为冷光阑的位置[12-13]。

根据高斯公式,由图5 可以得到如下关系:

图5 二次成像原理示意图

(7)

(8)

式中,lstop为制冷窗口到探测器的轴向距离;lexp1为一次成像系统的出瞳位置到一次完善像面的轴向距离;f′为二次制冷成像镜组的焦距。

3 新型制冷Dyson光谱仪成像系统设计

3.1 系统主要性能指标以及设计参数

根据实际使用需求,选用像素为500×320红外制冷型焦平面探测器,单个像素尺寸为30 μm×30 μm。本次设计的指标参数如表1所示。

表1 系统设计指标

3.2 新型Dyson分光系统设计

本文采用凹面光栅作为核心分光元件的新型Dyson型光谱成像系统进行分光设计,图6为新型Dyson型光谱分光成像系统结构示意图,图7为不同波长下光谱成像系统点列图,图8为不同波长下的MTF曲线。

图8表明新型Dyson型光谱分光成像系统在不同波长下的点列斑均小于单个像元大小,MTF曲线均接近衍射极限,系统工程可行性好,成像质量良好。

图6 新型Dyson分光成像系统结构示意图

图7 不同波长下的点列图

(a)6 μm

(b)9 μm

(c)12.5 μm

3.3 二次制冷系统设计

由本次设计所选用的探测器F#=2可知u0=0.25；本文使用红外制冷型探测器可以有效抑制光谱系统自身热辐射引入的噪声,提高光谱系统的探测能力,该探测器要求光阑到光敏面的距离为20 mm,在长波范围内,选取10 μm为系统工作的中心波长,由公式(7)和(8)计算的f′=36.618 mm,S=-S′=-73.236 mm。将得到的f、S、S′代入,并将系统的光阑设置为冷光阑,优化像差得到图9所示的结构。二次成像组的点列图如图10所示,二次成像组的传递函数图如图11所示。

图9 二次制冷镜组光路图

图10 二次制冷系统点列图

图11 二次制冷系统传递函数图

4 系统整体设计及像质评价

制冷光谱仪可以提高系统的探测灵敏度,为了使不同波长处的出瞳位置一致,实现100%制冷的效果,在光谱仪后端再进行二次成像,使光谱仪的冷光阑后置,实现系统100 %制冷的效果。整体系统结构图如图12所示。

为了解决Dyson光谱仪的空间排布问题和工程实现问题,本文设计了一款大视场,大相对孔径新型制冷Dyson光谱仪。

图12 系统制冷光谱仪结构图

新型制冷 Dyson 高光谱成像仪在波长 8 μm、9.5 μm、11 μm、12 μm下的点列图如图13所示,从图中可以看出,系统的不同波段下的点列图接近衍射极限。系统在波长8 μm、9.5 μm、11 μm、12 μm下的传递函数图如图14所示,从传递函数图中可以看出,系统在17 lp/mm下,不同波长下的传递函数接近衍射极限。系统在波长为8 μm、9.5 μm、11 μm、12 μm下的像差曲线图如图15所示,从图中可以看出,系统的相差已经得到了很好的校正。

图13 系统点列图

图14 系统在不同波段下的传递函数图

图15 系统在不同波段下的像差曲线图

5 总 结

本文研究了一种新型制冷Dyson光谱成像技术,创新性的提出物面-像面分离的设计思想,设计出一款相对孔径为1/2、口径为50 mm,波长范围为8～12 μm的新型Dyson光谱仪,根据新型Dyson像差原理图,推导了系统的离轴像差理论,为后期系统像差校正起到指导性作用。利用二次成像原理图,完成系统二次成像组结构参数的相关计算,通过像差优化,设计出系统的二次成像镜组,完成不同波段出瞳距的一致性,实现系统100 %制冷。最终设计结果满足工程使用需求,系统谱线弯曲小于20 μm,色畸变小于35 μm,在波长为8 μm、9.5 μm、11 μm、12.5 μm时,系统的点列图、传递函数图接近衍射极限。