CN112558283B - 快照式成像光谱仪消色差消畸变中继成像系统 - Google Patents

Abstract

快照式成像光谱仪消色差消畸变中继成像系统，涉及快照式成像光谱技术领域，解决现有快照式成像光谱仪中的红外光学系统畸变严重，消色差能力欠缺，体积重量大的问题。沿光路传播方向由左至右依次包括阶梯微反射镜、轻型分束器、轻型补偿板、中继成像镜头、探测器窗片、探测器冷光阑和探测器阵面；本发明采用物方远心光路设计，使用锗和硅两种材料以及光焦度匹配共同实现系统消色差，大视场所对应的像面边缘照度接近90％，在17lp/mm处传函值接近衍射极限，像面畸变小于－0.025％，系统景深满足光谱仪系统要求，设计结果：以不同的阶梯高度成像时，系统的MTF值最大变化不超过0.01，该中继系统实现了100％冷光阑匹配，避免杂散光和冷反射影响，且无渐晕。

Description

快照式成像光谱仪消色差消畸变中继成像系统

技术领域

本发明涉及快照式成像光谱技术领域，具体涉及一种中波红外波段、基于高阶梯多级微反射镜和低阶梯多级微反射镜的快照式成像光谱仪消色差消畸变的中继成像系统。

背景技术

近年来，随着光谱学的不断发展和日趋成熟，光谱成为我们识别物质种类、获取物质信息的常用方法。在许多高新技术领域，如空间体测、资源勘探、环境监控、气象监测等领域中，人们希望在获取物质光谱信息的同时，也能够获取物质的图像信息，这便促进了成像光谱技术的发展。成像光谱是一种同时获取目标的图像信息和光谱信息的手段，图像信息为二维信息，光谱信息为一维信息，成像光谱仪能够获取目标的三维数据立方。目前的成像光谱仪普遍采用面阵探测器来获取二维图像或者一维狭缝像加一维光谱，并通过波长扫描或者狭缝扫描来获取另一维光谱或目标图像。这些光谱仪重量和体积较大，且实时性受到了制约。

基于高阶梯和低阶梯多级微反射镜的快照式傅里叶变换成像光谱仪不含有动镜推扫系统，干涉结构稳定紧凑，且同一时刻获取三维数据立方，实时性好。高阶梯多级微反射镜和低阶梯多级微反射镜正交放置，形成多个阶梯成像单元，每个单元成二维图像，各个单元的采样光程差不同，由此获取一维光谱信息。因此，在后置中继成像系统的设计中，要解决以下问题：在3－5μm的中波红外波段实现消色差；光学结构尽量紧凑减小体积与重量；由于系统视场较大，需保证像面照度的均匀性；光学系统需要高远心度，消除畸变，解决相邻通道之间的图谱串扰问题；中继成像系统的景深需要满足光谱仪的要求，否则图像单元之间成像质量差异较大，会导致重构光谱失真。中继成像系统与探测器间需要满足100％冷光阑匹配，以抑制杂散光和冷反射所造成的鬼像。

发明内容

本发明为解决快照式成像光谱仪现有中继成像光学系统镜片数量多，不利于微小型化；边缘视场成像照度低；远心度低导致畸变严重，造成图谱串扰；景深不满足最高阶梯高度像面成像要求等问题，提供了一种快照式成像光谱仪消色差消畸变中继成像系统。

快照式成像光谱仪消色差消畸变中继成像系统，工作波段为3－5μm，按照光路走向从物侧到像侧依次为阶梯微反射镜、轻型分束器和轻型补偿板、第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜、探测器窗片、探测器冷光阑、探测器阵面；其中镜筒和第一透镜、第二透镜、第三透镜、第四透镜共同构成中继成像镜头。

所述镜筒的材料为铝，镜筒包括镜筒壁、第一垫圈、第二垫圈、隔圈、第三垫圈，镜筒内壁进行黑化表面处理，以抑制杂散光影响。

进一步地，第一垫圈位于第一透镜前，与第一透镜紧密接触；第三垫圈位于第二透镜前，与第二透镜紧密接触；隔圈位于第三透镜与第四透镜之间，隔圈前端与第三透镜紧密接触，隔圈后端与第四透镜紧密接触；第三垫圈位于隔圈与第四透镜后，与隔圈与第四透镜紧密接触。

第一透镜是屈光度为正的正弯月形透镜，材料为硅，弯向像方；第二透镜是屈光度为负的负弯月形透镜，材料为锗，弯向物方；第三透镜是屈光度为正的正弯月形透镜，材料为硅，弯向物方；第四透镜是屈光度为正的正弯月形透镜，材料为硅，弯向像方；

根据硅和锗这两种材料的阿贝数和色散系数的不同，分配各透镜的光焦度使其满足光焦度匹配方程，并且满足消色差方程，完成消色差设计。为实现中继成像系统的紧凑化结构设计，尽量减少镜片数量，第二透镜设计为非球面的折衍混合透镜，第二透镜的第一个面为偶次非球衍射面。偶次非球面可以消除系统的高阶球差，衍射面可以实现宽谱段消色差。

进一步地，所述第一透镜的厚度为6.7mm，其前表面为球面，曲率半径为157；后表面为球面，曲率半径为－3799.99；所述第二透镜5的厚度为5.38mm，其前表面为球面，曲率半径为－43.316；后表面为非球衍射二元面，曲率半径为-67.882，非球面系数为四阶非球面系数为1.48×10^-8，六阶非球面系数为9.013×10^-11，八阶非球面系数为3.151×10^-13，衍射系数为A₁＝－43.75，A₂＝－8.38；所述第三透镜6的厚度为8.14mm，其前表面为球面，曲率半径为－145.79；后表面为球面，曲率半径为－86.744；所述第四透镜7的厚度为4.772，其前表面为球面，曲率半径为32.7；后表面为球面，曲率半径为44.12。

进一步地，所述中继成像镜头的焦距为82.5mm，F^#(F数)为4。所述第一透镜后表面与第二透镜前表面的距离为32.73mm；所述第二透镜的后表面与第三透镜前表面的距离为33.18mm；所述第三透镜的后表面与第四透镜前表面的距离为6.017mm；

本发明的有益效果：

1.引入非球面衍射透镜实现了中波红外3－5μm波段的消色差设计，并且镜片数量少，结构具有紧凑型，使用材料为硅和锗，所需求的加工技术成熟，加工成本较低。

2.提升了像面的照度均匀性，消除了大视场引起的像面畸变，对于快照成像光谱仪单元成像的特性尤为重要，可以防止相邻通道间的图谱串扰。

3.采用物方远心设计，与前置像方远心系统匹配，满足100％冷光阑匹配，无渐晕，抑制杂散光影响。

4.设计满足最大阶梯高度的景深要求，解决了图像单元之间成像质量差异较大，会导致重构光谱失真的问题。

附图说明

图1为本发明所述中波红外快照式傅里叶变换成像光谱仪消色差消畸变中继成像系统的结构示意图；

图2为本发明所述的中继成像镜头光机结构剖面图；

图3中3(a)和3(b)分别为本发明所述的低阶梯微反射镜和高阶梯微反射镜的示意图；

图4为具体实施例的中继成像系统的MTF曲线图；

图5为具体实施例的中继成像系统的相对照度曲线图；

图6为具体实施例的中继成像系统的畸变图；

图7为具体实施例的中继成像系统的色差图；

图8为具体实施例的中继成像系统对不同阶梯微反射镜阶梯面成像的MTF随阶梯高度的变化。

具体实施方式

现结合实施例、附图1～8对本发明作进一步描述：

普通折射元件的阿贝数表示为：

衍射元件的阿贝数表示为：

式(1)(2)中，υ₁为普通折射元件的阿贝数，n₀表示长波长折射率，n₁表示中心波长折射率，n₂表示短波长折射率；υ₂为衍射元件的阿贝数，λ₀表示长波长，λ₁表示中心波长，λ₂表示短波长；

由上式可以看到衍射元件的色散性与元件的材料无关，仅仅与波长有关。衍射元件具有负向色散特性，而折射元件具有正向色散特性，结合折射元件与衍射元件可以实现消色差。同时非球面可以补偿高阶球差，本实施方式引入非球衍射面实现像差校正。系统要满足下述关系式：

且系统要求下式：

式(3)(4)中的

为中继成像系统的总光焦度，

为第i个透镜的光焦度，h_i为第一近轴光线在第i个透镜上的入射高度，Δf_b,t为光学元件色散引起的离焦，ω_i为第i个透镜的色散因子(色差系数)，其数值上等于阿贝数的倒数。根据式(1)—(4)，对系统进行光焦度分配，本实施例采用锗和硅两种阿贝数相差较大的材料，二者组合后更有利于消色差设计。

本实施例的技术方案提供中波红外快照式傅里叶变换成像光谱仪的消色差消畸变的中继成像系统，工作波段为3－5μm，物高为阶梯微反射镜的对角线长度45.2mm，探测器的F^#(F数)为4，探测器的像元尺寸为30μm×30μm，像元数为320×256。根据式(1)—(4)光焦度分配，计算系统的初始结构，并通过光学设计软件进行优化。衍射面相位的分布如下式(5)

式中，λ为波长，r为衍射光学元件的径向坐标，A₁，A₂为各项衍射系数。

本实施例中继成像镜头的第二个透镜5为折衍混合透镜，材料为锗。其第一个面为非球衍射面，本实施例的中继成像系统的各透镜具体参数如表1所示：

表1

参见图1，为本发明实施例所述的快照式成像光谱仪消色差消畸变中继成像系统的结构示意图，系统工作波段为3－5μm，沿光路传播方向依次为阶梯微反射镜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、探测器窗片8、探测器冷阑9和像面10。

参见图2为本发明实施例所述中继成像镜头的剖面图，其中镜筒和第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6、第四透镜7共同构成中继成像镜头。镜筒的材料为铝，镜筒包括镜筒壁11、第一垫圈12、第二垫圈13、隔圈14、第三垫圈15，镜筒内壁进行黑化表面处理，以抑制杂散光影响。

第一垫圈12位于第一透镜4前，与第一透镜4紧密接触；第二垫圈13位于第二透镜5前，与第二透镜5紧密接触；隔圈14位于第三透镜6与第四透镜7之间，隔圈14前端与第三透镜6紧密接触，隔圈14后端与第四透镜7紧密接触；第三垫圈15位于隔圈14与第四透镜7后，与隔圈14与第四透镜7紧密接触。

本实施方式中，所述第一透镜4是屈光度为正的正弯月形透镜，材料为硅，弯向像方；第二透镜5是屈光度为负的负弯月形透镜，材料为锗，弯向物方；第三透镜6是屈光度为正的正弯月形透镜，材料为硅，弯向物方；第四透镜7是屈光度为正的正弯月形透镜，材料为硅，弯向像方。

根据硅和锗这两种材料的阿贝数和色散系数的不同，分配各透镜的光焦度使其满足光焦度匹配方程，并且满足消色差方程，完成消色差设计。为实现中继成像系统的紧凑化结构设计，尽量减少镜片数量，第二透镜5设计为非球面的折衍混合透镜，第二透镜5的第一个面为偶次非球衍射面。偶次非球面可以消除系统的高阶球差，衍射面可以实现宽谱段消色差。

本实施方式中，所述第一透镜4的厚度为6.7mm，其前表面为球面，曲率半径为157；后表面为球面，曲率半径为－3799.99；所述第二透镜5的厚度为5.38mm，其前表面为球面，曲率半径为－43.316；后表面为非球衍射二元面，曲率半径为-67.882，非球面系数为四阶非球面系数为1.48×10^-8，六阶非球面系数为9.013×10^-11，八阶非球面系数为3.151×10^-13，衍射系数为A₁＝－43.75，A₂＝－8.38；所述第三透镜6的厚度为8.14mm，其前表面为球面，曲率半径为－145.79；后表面为球面，曲率半径为－86.744；所述第四透镜7的厚度为4.772，其前表面为球面，曲率半径为32.7；后表面为球面，曲率半径为44.12。

本实施方式中，所述中继成像镜头的焦距为82.5mm，F^#为4。所述第一透镜4后表面与第二透镜5前表面的距离为32.73mm；所述第二透镜5的后表面与第三透镜6前表面的距离为33.18mm；所述第三透镜6的后表面与第四透镜7前表面的距离为6.017mm。

本实施方式中，所述第一透镜4、第二透镜5、第三透镜6和第四透镜7均镀红外增透膜，镀膜的波段是3－5μm，透过率大于等于98％。第二透镜4的非球衍射面采用车削工艺加工。分束器2和补偿板3为轻型分束器和轻型补偿板，材料为硅。在分束器2的后表面镀半透半反膜，分束器2的上表面和补偿板3上下表面要镀红外增透膜。成像光谱仪的探测器为MCT制冷型探测器，因此需要满足100％冷光阑匹配，消除杂散光的影响。为了匹配前置系统，后置系统采用物方远心设计，并且物方数值孔径和前置系统的像方数值孔径相等。系统景深为阶梯多级微反射镜的最大阶梯高度，系统满足景深要求。

参见图3，为本发明所述的两个阶梯多级微反射镜，3(a)为低阶梯多级微反射镜，3(b)为高阶梯多级微反射镜。二者阶梯数量均为32，前者阶梯高度为0.625μm，后者阶梯高度为20μm，总阶梯高度为0.64mm。所以中继成像系统的景深需要大于0.64mm。

参见图4，为本实施例的成像系统各视场的MTF传函曲线图，在3－5μm的工作波段范围内，各视场传递函数在17lp/mm处均接近衍射极限。

参见图5，为本实施例所述的成像系统的相对照度图，边缘视场的相对照度大于0.86，成像系统具有较好的光照均匀性。

参见图6，为本实施例所述的成像系统的畸变，可以看到边缘视场的最大畸变小于－0.025％，在探测器阵面上，边缘图像的偏离小于一个像素尺寸。

参见图7，为本实施例成像系统的色差曲线图，在3－5μm的工作波段范围内，色差随视场变化的曲线可以看出，色差离焦量均在艾里斑之内。

参见图8，为本实施例对每个阶梯面成像的MTF值的变化曲线，可以看到，随着阶梯高度的变化，边缘视场的MTF值变化不超过0.01。系统满足对阶梯物面成像的景深要求。

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 (5)

1.快照式成像光谱仪消色差消畸变中继成像系统，所述系统由物方至像方依次排列为阶梯微反射镜(1)、轻型分束器(2)、轻型补偿板(3)、第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)、探测器窗片(8)、探测器冷阑(9)和像面(10)；其特征是：该成像系统的工作波段为3－5μm；所述第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)、第四透镜(7)和镜筒组成中继成像镜头；

所述第一透镜(4)为正光焦度弯月形透镜、第二透镜(5)为折衍混合透镜，第一个面为非球衍射面、第三透镜(6)为负光焦度弯月形透镜、第四透镜(7)为正光焦度弯月形透镜；

所述第一透镜(4)的厚度为6.7mm，其前表面为球面，曲率半径为157；后表面为球面，曲率半径为－3799.99；所述第二透镜(5)的厚度为5.38mm，其前表面为球面，曲率半径为－43.316；后表面为非球衍射二元面，曲率半径为-67.882，非球面系数为四阶非球面系数为1.48×10^-8，六阶非球面系数为9.013×10^-11，八阶非球面系数为3.151×10^-13，衍射系数为A₁＝－43.75，A₂＝－8.38；所述第三透镜(6)的厚度为8.14mm，其前表面为球面，曲率半径为－145.79；后表面为球面，曲率半径为－86.744；所述第四透镜(7)的厚度为4.772，其前表面为球面，曲率半径为32.7；后表面为球面，曲率半径为44.12；

所述轻型分束器(2)、轻型补偿板(3)材料为硅，且均为平板式结构；

所述阶梯微反射镜的高阶梯为20μm，低阶梯为0.625μm，阶梯数目为32，阶梯总高度为0.64mm，阶梯镜镀金属反射膜，所述成像系统的景深要求满足总阶梯高度；

制冷型红外探测器的冷光阑口径为5.1mm，像元数量为320×256，像元尺寸为30μm，冷光阑距离探测器阵面19.8mm，探测器的F^#为4。

2.根据权利要求1所述的快照式成像光谱仪消色差消畸变中继成像系统，其特征在于：所述镜筒材料为铝，镜筒包括镜筒外壁(11)以及分别用于固定第一透镜(4)、第二透镜(5)、第三透镜(6)和第四透镜(7)的第一垫圈(12)、第二垫圈(13)、隔圈(14)和第三垫圈(15)，镜筒内壁进行黑化表面处理。

3.根据权利要求2所述的快照式成像光谱仪消色差消畸变中继成像系统，其特征在于：

所述第一垫圈(12)位于第一透镜(4)前，与第一透镜(4)紧密接触；第二垫圈(13)位于第二透镜(5)前，与第二透镜(5)紧密接触；隔圈(14)位于第三透镜(6)与第四透镜(7)之间，隔圈(14)前端与第三透镜(6)紧密接触，隔圈(14)后端与第四透镜(7)紧密接触；第三垫圈(15)位于隔圈(14)与第四透镜(7)后，与隔圈(14)以及第四透镜(7)紧密接触。

4.根据权利要求1所述的快照式成像光谱仪消色差消畸变中继成像系统，其特征在于：第一透镜(4)材料为硅，第二透镜(5)材料为单晶锗，第三透镜(6)材料为硅，第四透镜(7)材料为硅。

5.根据权利要求1所述的快照式成像光谱仪消色差消畸变中继成像系统，其特征在于：所述中继成像系统满足下述关系式：

式中，

为中继成像系统的总光焦度，

为第i个透镜的光焦度，h_i为第一近轴光线在第i个透镜上的入射高度，Δf_b,t为光学元件色散引起的离焦，ω_i为第i个透镜的色散因子。

Images