CN111060203A - 一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统，涉及光谱成像技术领域，解决现有长波红外光学系统消热差技术的不足，第一透镜的前表面为柱面镜，第二透镜为折衍混合透镜，前表面为二元面，第五透镜后表面为偶次非球面，分束器、补偿板均为平行平板。分束器、补偿板材料均为硒化锌，第一透镜为正屈光度的凸透镜，材料为硒化锌，第二透镜为正屈光度的凸透镜，材料为锗，第三透镜和第五透镜均为正屈光度的凸透镜，材料为硒化锌，第四透镜为负屈光度的凹透镜。像面边缘相对照度大于85％，畸变量小于0.4％，在17lp/mm处传涵值接近衍射极限，系统景深满足阶梯微反射镜总高度，本发明以不同阶梯高度位置为物面成像时，系统MTF值最大变化率不超过1.5％。
Description
技术领域
本发明涉及一种工作在长波红外、应用于基于阶梯微反射镜的时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪的光学被动消热差中继成像系统。
背景技术
光学被动式消热差方法不引入额外的机械结构，只需通过不同光学材料间相互组合，利用其色差系数和热差系数的不同来实现互补，就可以实现被动消热差，具有结构简单、重量轻等优势。因此，绝大多数红外光学系统都是选择这种方法来实现消热差。但是这种方法至少需要三种以上的材料相互组合，而长波红外材料受国内材料制备水平的限制，可选用的、用于消热差的材料种类较少。特殊的消热差硫系玻璃例如AMTIR系列、IRG系列等，主要依赖于进口，价格高昂，且容易受到国外制约。
基于阶梯微反射镜的时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪使用一个阶梯微反射镜来替代传统迈克尔逊干涉仪中的动镜系统，具有稳定、紧凑的干涉结构。区别于同类型的成像光谱仪，基于阶梯微反射镜的成像光谱仪使用一个阶梯微反射镜来代替动镜系统，在设计与其匹配的后置中继成像系统时需要额外考虑：光学系统远心度、畸变等问题导致的干涉混叠现象；光学结构紧凑性设计问题；像面边缘照度低导致的图谱信息缺失问题；系统景深小于阶梯微反射镜总高度导致的无法获得全画幅清晰图像问题；装调及校准难易程度等问题。本发明正是在这样的背景下做出的。
发明内容
本发明为解决匹配基于阶梯镜光学成像系统所提出的特殊的设计要求以及长波波段光学被动消热差等问题，提供一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统。
一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统，按光路走向从物方到像方依次设置的阶梯微反射镜、分束器、补偿板、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、探测器窗片、探测器冷阑和探测器阵面；
光线经阶梯微反射镜入射至分束器和补偿板后，依次通过第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、第五透镜、探测器窗片以及探测器冷阑后在探测器阵面成像；
第一透镜为正屈光度的凸透镜，第二透镜为正屈光度的凸透镜，第三透镜为正屈光度的凸透镜，第四透镜为负屈光度的凹透镜，第五透镜为正屈光度的凸透镜；
所述第一透镜的前表面为柱面，后表面为球面，第二透镜为折衍混合透镜，前表面为二元面，后表面为球面，第五透镜的前表面为球面，后表面为偶次非球面，
所述第三透镜的前表面、后表面和第四透镜的前表面、后表面均为球面；所述分束器、补偿板均为平行平板。
本发明的有益效果：
1、本发明所述的成像系统采用折衍混合透镜，无需特殊的国外硫系玻璃，且用较少的镜片数量实现了系统在长波7-10μm波段内、-20℃-60℃温度范围内消热差。
2、光学系统为物方远心光路，匹配前置成像系统，确保图像与干涉信息完整的获取。
3、本发明使用常用的硫系玻璃和锗，材料容易获取，加工成本低，可大规模应用。
4、本发明光学系统使用了一个柱面，有效平衡了由迈克尔逊干涉系统中的倾斜平板所产生的大数量级像散，成像质量较好。柱面镜设置在第一透镜4前表面，降低了与干涉系统、前置成像系统对接、校准的难度。
5、光学系统满足100％的冷光阑效率，且不存在渐晕，很好的匹配了红外制冷探测器，有效的提高了获取的图像信号与干涉信号的信噪比。
6、本发明在工作波段下的畸变小于0.4％，保证了不同阶梯级次的干涉不发生混叠。
7、本发明系统像面边缘相对照度大于85％，保证了探测器获取的图谱信息不会丢失。
8、本发明系统景深满足大于总阶梯高度，在阶梯微反射镜边缘位置的图谱信息都能完整获取。
图说明
图1为本发明所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统的结构示意图；
图2为基于阶梯微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉结构示意图；
图3为本发明所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统中阶梯镜的效果图；
图4为本发明所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统在常温20℃时的MTF曲线图；
图5为本发明所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统在-20℃时的MTF曲线图；
图6为本发明所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统在60℃时的MTF曲线图；
图7为本发明所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统像面的相对照度曲线图；
图8为本发明所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统的畸变图；
图9为本发明所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统对阶梯镜不同阶梯面成像的MTF值曲线变化图。
具体实施方式
具体实施方式一、结合图1至图9说明本实施方式，一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统，该成像系统使用折衍混合透镜来实现消热差，在-20℃-60℃温度范围内实现了被动消热差功能，采用了物方远心光路，与前置望远系统相匹配。像面边缘相对照度接近85％，畸变量小于0.4％，在17lp/mm处传涵值接近衍射极限，系统景深满足阶梯微反射镜总高度，设计结果显示以不同阶梯高度位置为物面成像时，系统MTF值最大变化率不超过1.5％。系统实现了冷光阑100％匹配，无渐晕。
按光路走向从物方到像方依次设置的阶梯微反射镜(物面)1、分束器2、补偿板3、第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、第四透镜7、第五透镜8、探测器窗片9、探测器冷阑10和探测器阵面(像面)11。
光线经阶梯微反射镜1入射至分束器2和补偿板3后，依次通过第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、第四透镜7、第五透镜8、探测器窗片9以及探测器冷阑10后在探测器阵面11成像；
所述分束器2、补偿板3均为平行平板，材料为硒化锌，第一透镜4为正屈光度的凸透镜，材料为硒化锌，第二透镜5为正屈光度的凸透镜，材料为锗，第三透镜6为正屈光度的凸透镜，材料为硒化锌，第四透镜7为负屈光度的凹透镜，材料为硫化锌，第五透镜8为正屈光度的凸透镜，材料为硒化锌。
本实施方式中，利用折射元件与衍射元件温度特性以及色散特性的不同，通过合理的优化设计使之互补，从而达到消色差、消色差的目的。所述第一透镜4的前表面为柱面镜，能够补偿在成像光束中由分束器、补偿板引起的大量像散，柱面朝向物面，有利于后期装调对准。第二块透镜5为折衍混合透镜，前表面为二元面，第五块透镜8后表面为偶次非球面，其余面均为球面。上述五块透镜的表面均镀红外增透膜，增透波段为7-10μm，平均透过率大于等于98％，因此该折射系统能保证较高的光通量。分束器后表面镀半反半透膜，其余面同样也镀红外增透膜。由于使用了红外制冷探测器，探测器冷阑作为系统光阑，为了避免环境红外辐射对图像信号噪声比的影响，要求系统冷光阑效率接近100％，且无渐晕。去通过合理的设计实现系统物方远心光路，使其与前置望远系统相匹配。阶梯微反射镜采用车削工艺，阶梯数为128，表面镀金属反射膜，为保证成像质量，系统景深必须大于阶梯微反射镜总高度。
本实施方式中，衍射元件(DOE)相比于传统的红外材料具有特殊的色散性质，含有折衍混合透镜的光学系统设计得到越来越多的重视。折射元件与衍射元件的光热膨胀系数如下方程所示：
xf,d＝2ag (2)
式中ag为光学材料的热膨胀系数；T为环境温度；dn/dT为透镜材料的温度折射率系数；n为透镜折射率。由方程(1)-(2)可看出，折射元件的光热膨胀系数xf,r与折射率温度系数dn/dT和线膨胀系数ag有关，其值有正有负；而衍射元件(DOE)的光热膨胀系数xf,d只与材料的线膨胀系数ag有关且始终为正值，利用衍射元件的上述温度特性可以与折射元件实现互补从而消除热差。
本实施方式中的中波红外傅里叶变换成像光谱仪光学被动消热差中继成像系统，工作波段为7-10μm，阶梯微反射镜(物高)为32mm，物距为295mm，F数为2。探测器像元尺寸为30×30μm，像元数为320×256。
结合图2说明本实施方式，将本实施方式所述的成像系统应用于基于阶梯微反射镜的傅里叶变换成像光谱仪干涉系统示意图。干涉过程为：前置成像系统的成像光束经过分束器2、补偿板3后分别成像在阶梯微反射镜1和平面反射镜12上，阶梯微反射镜1对空间光场进行相位调制形成干涉。阶梯微反射镜1和平面反射镜12又作为物面，进入到本实施例所述的长波红外中继成像系统中再次成像。。
结合图3说明本实施式，本实施方式所述的阶梯微反射镜的阶梯数为128，单个阶梯高度为0.625μm，总阶梯高度为80μm。
结合图4说明本实施式，本实施方式所述的成像系统在常温下工作的MTF曲线图。在7.7-9.3μm波段范围内，各视场传递函数在17lp/mm处均接近衍射极限。
结合图5说明本实施式，本实施方式所述的成像系统在-20℃时系统的MTF曲线图。各视场传涵均接近衍射极限。
结合图6说明本实施式，本实施方式所述的成像系统在60℃时系统的MTF曲线图。各视场传涵接近衍射极限。
结合图7说明本实施式，本实施方式所述的成像系统相对照度图。由图可看到，边缘视场的相对照度大于85％。
结合图8说明本实施式，本实施方式所述的成像系统畸变随视场变化图。由图可看到，边缘视场的畸变小于0.4％。
结合图9说明本实施式，本实施方式所述的成像系统对阶梯微反射镜1不同阶梯面成像的MTF值曲线变化图。由图可看出，本实施方式满足景深大于阶梯微反射镜总高度的要求，学系统对不同阶梯面位置的物面成像时，系统MTF值最大变化量不超过1.5％。
本实施方式中，物面1到分束器2前表面距离为30mm；分束器厚度为8mm，分束器后表面到补偿板3前表面距离为8mm；补偿板3厚度为8mm，补偿板3后表面到第一透镜4的距离范围为180～220mm；第一透镜4的厚度范围为5-10mm，前表面曲率半径范围为2.0E+04～3.0E+04，后表面曲率半径范围为-100～-160mm，后表面到第二透镜5前表面距离为1.13mm；第二透镜5的厚度范围为6-10mm，前表面曲率半径范围为75～95mm，后表面曲率半径范围为50～90mm，后表面到第三透镜6前表面距离为2.4mm；第三透镜6的厚度范围为7～15mm，前表面曲率半径范围为30～60mm，后表面曲率半径范围为72～110mm，后表面到第四透镜7前表面距离范围为7～16mm；第四透镜7的厚度范围为4～8mm，前表面曲率半径范围为-380～-500mm，后表面曲率半径范围为60～100mm，后表面到第五透镜8前表面距离范围为12～19mm；第五透镜8的厚度范围为9～15mm，前表面曲率半径范围为-380～-460mm，后表面曲率半径范围为-45～-80mm，后表面到探测器窗片9前表面距离范围为20～30mm；探测器窗片9的厚度为1mm，后表面到探测器冷阑10的距离为2mm；探测器10冷阑到像面11的距离为19.8mm。
非球面满足下列公式：
式中，Z为非球面在高度为Y位置时，该位置距非球面顶点的距离，即矢高sag，k为圆锥系数conic，A、B、C、D为高次非球面系数，R表示该非球面的近轴曲率半径。
表1：非球面系数
本实施方式中，进一步优选的，补偿板3后表面到第一透镜4的距离范围为190mm、；第一透镜4的厚度为6mm，前表面曲率半径为2.3E+04，后表面曲率半径为-110mm，后表面到第二透镜5前表面距离为1.13mm；第二透镜5的厚度为7mm，前表面曲率半径为78mm，后表面曲率半径为60mm，后表面到第三透镜6前表面距离为2.4mm；第三透镜6的厚度为8mm，前表面曲率半径为35mm，后表面曲率半径为78mm，后表面到第四透镜7前表面距离为9mm；第四透镜7的厚度为4.5mm，前表面曲率半径为-390mm，后表面曲率半径为70mm，后表面到第五透镜8前表面距离为13mm；第五透镜8的厚度为9.5mm，前表面曲率半径为-395mm，后表面曲率半径为-50mm，后表面到探测器窗片9前表面距离为21mm；探测器窗片9的厚度为1mm，后表面到探测器冷阑10的距离为2mm；探测器10冷阑到像面11的距离为19.8mm。
本实施方式中，进一步优选的，补偿板3后表面到第一透镜4的距离为210mm；第一透镜4的厚度为9mm，前表面曲率半径为2.9E+04，后表面曲率半径为-150mm，后表面到第二透镜5前表面距离为1.13mm；第二透镜5的厚度为9mm，前表面曲率半径为92mm，后表面曲率半径为80mm，后表面到第三透镜6前表面距离为2.4mm；第三透镜6的厚度为14mm，前表面曲率半径为55mm，后表面曲率半径为105mm，后表面到第四透镜7前表面距离为15mm；第四透镜7的厚度为7.5mm，前表面曲率半径为-480mm，后表面曲率半径为90mm，后表面到第五透镜8前表面距离为16mm；第五透镜8的厚度为14mm，前表面曲率半径为-440mm，后表面曲率半径为-70mm，后表面到探测器窗片9前表面距离为28mm；探测器窗片9的厚度为1mm，后表面到探测器冷阑10的距离为2mm；探测器10冷阑到像面11的距离为19.8mm。
本实施方式中，进一步优选的，补偿板3后表面到第一透镜4的距离为200mm；第一透镜4的厚度为8mm，前表面曲率半径为2.5E+04，后表面曲率半径范围为、-130mm，后表面到第二透镜5前表面距离为1.13mm；第二透镜5的厚度为8mm，前表面曲率半径为90mm，后表面曲率半径为70mm，后表面到第三透镜6前表面距离为2.4mm；第三透镜6的厚度为12mm，前表面曲率半径为40mm，后表面曲率半径为95mm，后表面到第四透镜7前表面距离为13mm；第四透镜7的厚度为6mm，前表面曲率半径为-430mm，后表面曲率半径为80mm，后表面到第五透镜8前表面距离为15mm；第五透镜8的厚度为12mm，前表面曲率半径为-420mm，后表面曲率半径为-60mm，后表面到探测器窗片9前表面距离为25mm；探测器窗片9的厚度为1mm，后表面到探测器冷阑10的距离为2mm；探测器10冷阑到像面11的距离为19.8mm。
本实施方式中，利用折衍混合透镜独特的温度特性来与折射元件互补，在-20℃-60℃实现了光学被动消热差。系统采用了物方远心光路，与前置望远系统完美匹配。像面边缘相对照度大于85％，畸变量小于0.4％，在17lp/mm处传涵值接近衍射极限，系统景深满足阶梯微反射镜总高度，设计结果显示以不同阶梯高度位置为物面成像时，系统MTF值最大变化率不超过1.5％。系统实现了冷光阑100％匹配，无渐晕。
仪在上述说明的基础上，其基本元件就可做出其它不同形式的变化或变动而不超出本公开的范围，这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (9)
1.一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统，按光路走向从物方到像方依次设置的阶梯微反射镜(1)、分束器(2)、补偿板(3)、第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)、第五透镜(8)、探测器窗片(9)、探测器冷阑(10)和探测器阵面(11)；
光线经阶梯微反射镜(1)入射至分束器(2)和补偿板(3)后，依次通过第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)、第五透镜(8)、探测器窗片(9)以及探测器冷阑(10)后在探测器阵面(11)成像；
其特征是：第一透镜(4)为正屈光度的凸透镜，第二透镜(5)为正屈光度的凸透镜，第三透镜(6)为正屈光度的凸透镜，第四透镜(7)为负屈光度的凹透镜，第五透镜(8)为正屈光度的凸透镜；
所述第一透镜(4)的前表面为柱面，后表面为球面，第二透镜(5)为折衍混合透镜，前表面为二元面，后表面为球面，第五透镜(8)的前表面为球面，后表面为偶次非球面；
所述第三透镜(6)的前表面、后表面和第四透镜(7)的前表面、后表面均为球面；所述分束器(2)、补偿板(3)均为平行平板。
2.根据权利要求1所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统，其特征在于：
所述分束器(2)、补偿板(3)的材料为硒化锌，第一透镜(4)材料为硒化锌，第二透镜(5)材料为锗，第三透镜(6)材料为硒化锌，第四透镜(7)材料为硫化锌，第五透镜(8)材料为硒化锌。
3.根据权利要求1所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统，其特征在于：折衍混合透镜中，折射元件与衍射元件的光热膨胀系数如下表示为：
xf,d＝2ag
式中，ag为光学材料的热膨胀系数；T为环境温度；dn/dT为透镜材料的温度折射率系数；n为透镜折射率，折射元件的光热膨胀系数xf,r与折射率温度系数dn/dT和线膨胀系数ag有关，其值有正有负；而衍射元件的光热膨胀系数xf,d只与材料的线膨胀系数ag有关，且始终为正值，利用衍射元件的上述温度特性可以与折射元件实现互补从而消除热差。
4.根据权利要求1所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统，其特征在于：
所述阶梯微反射镜(1)的每个阶梯高度为0.625μm，阶梯数为128，阶梯总高度为80μm，阶梯微反射镜(1)表面镀金属反射膜。
5.根据权利要求1所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统，其特征在于：所述第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)和第五透镜(8)的表面均镀红外增透膜，增透波段为7-10μm，平均透过率大于等于98％。
6.根据权利要求1所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统，其特征在于：所述探测器为红外制冷探测器，所述红外制冷探测器像元尺寸为30μm×30μm，分辨率为320×256，探测器阵面对角线长度为12.3mm，探测器冷阑(10)到探测器阵面(11)距离为19.8mm。
7.根据权利要求1所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统，其特征在于：所述成像系统的景深大于阶梯微反射镜(1)总高度，在每个阶梯面上的图谱信息经过中继成像系统成像后被完整地传递到探测阵面(11)上。
8.根据权利要求1所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统，其特征在于：所述镜头采用物方远心光路设计，与前置成像系统完完匹配，使得成像系统能完整地获取的图谱信息。
9.根据权利要求1所述的一种长波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差中继成像系统，其特征在于：物面(1)到分束器(2)前表面距离为30mm；分束器厚度为8mm，分束器后表面到补偿板(3)前表面距离为8mm；补偿板(3)厚度为8mm，补偿板(3)后表面到第一透镜(4)的距离范围为180～220mm；第一透镜(4)的厚度范围为5-10mm，前表面曲率半径范围为2.0E+04～3.0E+04，后表面曲率半径范围为-100～-160mm，后表面到第二透镜(5)前表面距离为1.13mm；第二透镜(5)的厚度范围为6-10mm，前表面曲率半径范围为75～95mm，后表面曲率半径范围为50～90mm，后表面到第三透镜(6)前表面距离为2.4mm；第三透镜(6)的厚度范围为7～15mm，前表面曲率半径范围为30～60mm，后表面曲率半径范围为72～110mm，后表面到第四透镜(7)前表面距离范围为7～16mm；第四透镜(7)的厚度范围为4～8mm，前表面曲率半径范围为-380～-500mm，后表面曲率半径范围为60～100mm，后表面到第五透镜(8)前表面距离范围为12～19mm；第五透镜(8)的厚度范围为9～15mm，前表面曲率半径范围为-380～-460mm，后表面曲率半径范围为-45～-80mm，后表面到探测器窗片(9)前表面距离范围为20～30mm；探测器窗片(9)的厚度为1mm，后表面到探测器冷阑(10)的距离为2mm。
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