CN111077076B - 一种中波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差二次成像系统 - Google Patents
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Abstract
一种中波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差二次成像系统，涉及光谱成像技术领域，解决现有红外光学系统消热差技术的不足，包括阶梯微反射镜、分束器、补偿板、五个透镜、探测器窗片、探测器冷阑和探测器阵面；本发明通过求解光焦度分配方程、透镜折射率变化导致的系统离焦方程和材料热膨胀和镜筒热膨胀方程，使用硫系玻璃、锗和硅三种材料相互组合来实现被动消热差功能。该系统在‑20℃‑60℃温度范围内实现了被动消热差功能，像面边缘相对照度接近90％，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％。系统实现了冷光阑100％匹配，无渐晕。
Description
技术领域
本发明涉及光谱成像技术领域，具体涉及一种工作在中波红外、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消热差二次成像系统。
背景技术
绝大多数VOCs气体在中波红外谱段具有明显的特征吸收峰，通过光谱仪器对其进行光谱分析，可以快速识别出污染物的种类、浓度等信息。傅里叶变换成像光谱仪相比于棱镜、光栅光谱仪，其优点是探测谱段可覆盖中、远红外波段。但是由于红外材料的特殊性，温度变化会改变材料的折射率、光学元件的半径、厚度和光学元件之间的间隔，从而导致光学系统热像差的产生，更会影响光谱信息的获取。因此，在设计时应采用一定的消热差手段来使光学系统在较宽的温度范围内保持较好的成像质量。
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不含有动镜系统，具有稳定、紧凑的干涉结构，由于使用的干涉系统为基于迈克尔逊干涉仪的反射镜结构，工作波段可以同时覆盖中、长波段。区别于同类型的成像光谱仪，基于阶梯微反射镜的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二次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
本发明为解决现有二次成像系统存在受环境温度影响，装调及校准困难，像面边缘照度低导致的图谱信息缺失以及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；提供一种中波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差二次成像系统。
一种中波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差二次成像系统，按光路走向从物方到像方依次设置的阶梯镜、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；
入射光经阶梯镜入射经分束器和补偿板后依次经第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第五透镜后，通过探测器窗片和探测器冷阑最终在探测器阵面成像；
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，第三透镜为负屈光度的凹透镜，第四透镜为正屈光度的凸透镜，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镜，第三透镜和第五透镜的后表面为偶次非球面，分束器、补偿板均为平行平板。
本发明的有益效果：
1、本发明使用较少的镜片数量实现了系统在中波3-5μm波段内、-20℃-60℃温度范围内消热差。
2、本发明所述的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、本发明使用硫系玻璃、锗和硅三种材料相互组合，材料容易获取，加工成本低。
4、本发明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、本发明系统满足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接近90％，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。
附图说明
图1为本发明所述的中波红外傅里叶变换成像光谱仪光学被动消热差二次成像系统结构示意图；
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为阶梯射镜效果图；
图4为本发明所述的中波红外傅里叶变换成像光谱仪光学被动消热差二次成像系统在常温20℃时的MTF曲线图；
图5为本发明所述的中波红外傅里叶变换成像光谱仪光学被动消热差二次成像系统在-20℃时的MTF曲线图；
图6为本发明所述的中波红外傅里叶变换成像光谱仪光学被动消热差二次成像系统在60℃时的MTF曲线图；
图7为本发明所述的中波红外傅里叶变换成像光谱仪光学被动消热差二次成像系统中像面的相对照度曲线图；
图8为本发明所述的中波红外傅里叶变换成像光谱仪光学被动消热差二次成像系统的畸变图；
图9为本发明所述的中波红外傅里叶变换成像光谱仪光学被动消热差二次成像系统中阶梯微反射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，中波红外傅里叶变换成像光谱仪光学被动消热差二次成像系统，其工作波段为3-5μm；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。
入射光经阶梯微反射镜1入射经分束器2和补偿板3后依次经第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、第四透镜7和第五透镜8后，通过探测器窗片9和探测器冷阑10最终在探测器阵面(像面)11成像。
本实施方式中，所述分束器2、补偿板均3为平板，材料为硒化锌，第一透镜4为正屈光度的凸透镜，材料为硫化锌，第二透镜5为正屈光度的凸透镜，材料为硅，第三透镜6为负屈光度的凹透镜，材料为单晶锗，第四透镜7为正屈光度的凸透镜，材料为硅，第五透镜8为正屈光度的凸透镜，材料为硫化锌。根据不同材料之间阿贝数、折射率和热差系数的不同，同时匹配镜筒材料的热膨胀系数，来实现光学系统的被动式消热差功能。
本实施方式中，所述第一透镜4的前表面为柱面镜，用于平衡在成像光束中由分束器、补偿板引起的大量像散，且有利于后期装调对准。第三透镜6和第五透镜8的后表面为偶次非球面，用于平衡系统残余高阶球差，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3-5μm，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2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10作为系统光阑，为了避免环境红外辐射对图像信号的影响，要求系统冷光阑效率接近100％，且无渐晕。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。阶梯微反射镜采用微纳加工工艺，阶梯数为128，表面镀金属反射膜，系统景深满足大于阶梯总高度的要求。
本实施方式中，光学元件的温度特性用光热膨胀系数来表示，包括了透镜材料的热膨胀系数和折射率，同时环境温度的改变还会引起镜筒材料的热胀冷缩。因此要想实现光学系统被动消热差，系统必须要能自动抵消上述两方面的影响。
本实施方式中采用薄透镜理论对所涉及的模型进行描述。要使光学系统实现被动消热差，各透镜元件需要同时满足光焦度分配方程；透镜折射率变化导致的系统离焦方程；材料热膨胀和镜筒热膨胀方程：
式中
分别为各透镜的光焦度，
为光学系统光焦度，
为第i块透镜的光焦度；hi为近轴孔径光线在第i个透镜表面的入射高；T为环境温度；Δfb T为透镜色散引起的离焦，
为光学元件由温度变化而引起的热离焦；Ti和Ci分别为第i个透镜的规划热差系数和规划色差系数；αh为镜筒材料线膨胀系数；L为镜筒长度。
以方程(1)-(3)为指导，本实施例选取硅、锗、硫化锌三种材料组合。锗折射率n值较大，有利于光学系统像差的校正；硅、锗材料与硫化锌材料阿贝数相差较大，相互组合后有利于系统消色差；而硅、硫化锌材料与锗材料热差系数相差较大，相互组合后有利于系统消热差。
本实施所述的二次成像系统，工作波段为3-5μm，阶梯微反射镜(物高)为32mm，物距为290mm，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，图2为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中波红外二次成像系统中再次成像。
结合图3说明本实施方式，图3为阶梯微反射镜1的效果图，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说明本实施方式，本实施所述的二次成像系统在常温下工作的MTF曲线图。在3-5μm波段范围内，各视场传递函数在17lp/mm处均接近衍射极限。
图5为本实施所述的二次成像系统在-20℃时系统的MTF曲线图。各视场传涵均接近衍射极限。
图6为本实施所述的二次成像系统在60℃时系统的MTF曲线图。各视场传涵接近衍射极限。
图7为本实施所述的二次成像系统相对照度图。由图可看到，边缘视场的相对照度接近90％。
图8为本实施所述的二次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％。
图9为本实施所述的二次成像系统对阶梯微反射镜不同阶梯面成像的MTF值曲线变化图。由图可看出，本系统满足景深大于阶梯微反射镜总高度的要求，对不同阶梯面位置的物面成像时，系统MTF值最大变化率不超过1％。
本实施方式中的二次成像系统：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250～290mm；第一透镜4的厚度范围为10-15mm，前表面曲率半径范围为3.2E+04～3.9E+04，后表面曲率半径范围为-700～-850mm，后表面到第二透镜5前表面距离范围为9～15mm；第二透镜5的厚度范围为10-15mm，前表面曲率半径范围为70～80，后表面曲率半径范围为190～250mm，后表面到第三透镜6前表面距离范围为3～5mm；第三透镜6的厚度范围为10-15mm，前表面曲率半径范围为-1000～-2500mm，后表面曲率半径范围为100～160mm，后表面到第四透镜7前表面距离范围为9～16mm；第四透镜7的厚度范围为7-10mm，前表面曲率半径范围为20～40mm，后表面曲率半径范围为10～45mm，后表面到第五透镜8前表面距离范围为9～15mm；第五透镜8的厚度范围为2-7mm，前表面曲率半径范围为70～100mm，后表面曲率半径范围为100～170mm，后表面到探测器窗片9前表面距离范围为9～15mm；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。
其中，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，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的距离为260mm；第一透镜4的厚度为11mm，前表面曲率半径为3.3E+04，后表面曲率半径为-710mm，后表面到第二透镜5前表面距离为10mm、；第二透镜5的厚度为11mm，前表面曲率半径为72mm，后表面曲率半径为200mm、，后表面到第三透镜6前表面距离为3.1mm；第三透镜6的厚度为11mm，前表面曲率半径为-1100mm，后表面曲率半径为110mm，后表面到第四透镜7前表面距离为10mm；第四透镜7的厚度为7.5mm，前表面曲率半径为25mm，后表面曲率半径为15mm，后表面到第五透镜8前表面距离为10mm；第五透镜8的厚度为3mm，前表面曲率半径为75mm，后表面曲率半径为110mm，后表面到探测器窗片9前表面距离为10mm；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，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的距离为280mm；第一透镜4的厚度为14mm，前表面曲率半径为3.8E+04，后表面曲率半径为-840mm，后表面到第二透镜5前表面距离为14mm；第二透镜5的厚度为14mm，前表面曲率半径为78mm，后表面曲率半径为240mm，后表面到第三透镜6前表面距离为4.8mm；第三透镜6的厚度为14mm，前表面曲率半径为-2400，后表面曲率半径为150，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9.5mm，前表面曲率半径为35mm，后表面曲率半径为40mm，后表面到第五透镜8前表面距离为14mm；第五透镜8的厚度为6mm，前表面曲率半径为98mm，后表面曲率半径为160mm，后表面到探测器窗片9前表面距离为14mm；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，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的距离为270mm；第一透镜4的厚度为13mm，前表面曲率半径为3.5E+04，后表面曲率半径为-760mm，后表面到第二透镜5前表面距离为14mm；第二透镜5的厚度为13mm，前表面曲率半径为75mm，后表面曲率半径为220mm，后表面到第三透镜6前表面距离为4mm；第三透镜6的厚度为13mm，前表面曲率半径为-1700，后表面曲率半径为130，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8mm，前表面曲率半径为30mm，后表面曲率半径为30mm，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5mm，前表面曲率半径为85mm，后表面曲率半径为140mm，后表面到探测器窗片9前表面距离为12mm；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。
本实施方式基于阶梯微反射镜的中波红外傅里叶变换成像光谱仪光学被动消热差二次成像系统使用了5片透镜，实现了系统轻量化要求。系统在-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，与前置望远系统完美匹配。像面边缘相对照度接近90％，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％。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 (6)
1.一种中波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差二次成像系统，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)；
入射光经阶梯微反射镜(1)入射经分束器(2)和补偿板(3)后依次经第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)和第五透镜(8)后，通过探测器窗片(9)和探测器冷阑(10)最终在探测器阵面(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)为负屈光度的凹透镜，第四透镜(7)为正屈光度的凸透镜，第五透镜(8)为正屈光度的凸透镜；
所述第一透镜(4)的前表面为柱面镜，后表面为球面；第三透镜(6)和第五透镜(8)的前表面均为球面，后表面均为偶次非球面，第二透镜(5)和第四透镜(7)的前表面和后表面均为球面，分束器(2)、补偿板(3)均为平行平板；
所述分束器(2)、补偿板(3)材料均为硒化锌，第一透镜(4)材料为硫化锌，第二透镜(5)材料为硅，第三透镜(6)材料为单晶锗，第四透镜(7)材料为硅，第五透镜(8)材料为硫化锌；
镜头的景深大于阶梯微反射镜总高度，在每个阶梯面上的图谱信息经过二次成像系统成像后被完整地传递到探测阵面上；
阶梯微反射镜(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250～290mm；第一透镜(4)的厚度范围为10-15mm，前表面曲率半径范围为3.2E+04～3.9E+04，后表面曲率半径范围为-700～-850mm，后表面到第二透镜(5)前表面距离范围为9～15mm；第二透镜(5)的厚度范围为10-15mm，前表面曲率半径范围为70～80，后表面曲率半径范围为190～250mm，后表面到第三透镜(6)前表面距离范围为3～5mm；第三透镜(6)的厚度范围为10-15mm，前表面曲率半径范围为-1000～-2500mm，后表面曲率半径范围为100～160mm，后表面到第四透镜(7)前表面距离范围为9～16mm；第四透镜(7)的厚度范围为7-10mm，前表面曲率半径范围为20～40mm，后表面曲率半径范围为10～45mm，后表面到第五透镜(8)前表面距离范围为9～15mm；第五透镜(8)的厚度范围为2-7mm，前表面曲率半径范围为70～100mm，后表面曲率半径范围为100～170mm，后表面到探测器窗片(9)前表面距离范围为9～15mm；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。
2.根据权利要求1所述的一种中波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差二次成像系统，其特征在于：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)表面均镀红外增透膜，增透波段为3.7-4.8μm，平均透过率大于等于98％。
3.根据权利要求1所述的一种中波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差二次成像系统，其特征在于：
各透镜元件需要同时满足光焦度分配方程、透镜折射率变化导致的系统离焦方程，材料热膨胀和镜筒热膨胀方程分别由下式表示为：
式中，
为光学系统光焦度，
为第i个透镜的光焦度；hi为近轴孔径光线在第i个透镜表面的入射高；T为环境温度；
为透镜色散引起的离焦，
为光学元件由温度变化而引起的热离焦；Ti和Ci分别为第i个透镜的规划热差系数和规划色差系数；αh为镜筒材料线膨胀系数；L为镜筒长度。
4.根据权利要求1所述的一种中波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差二次成像系统，其特征在于：所述阶梯微反射镜(1)的阶梯高度为0.625μm，阶梯数为128，阶梯总高度为80μm，阶梯微反射镜表面镀金属反射膜。
5.根据权利要求1所述的一种中波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差二次成像系统，其特征在于：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)的距离为19.8mm。
6.根据权利要求1所述的一种中波红外傅里叶变换成像光谱仪消热差二次成像系统，其特征在于：所述镜头采用物方远心光路设计，与前置成像系统完美匹配，使得该二次成像系统能完整地获取的图谱信息。
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