張宗存，丁學(xué)專，楊 波，劉銀年

輕小型寬譜段紫外高光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張宗存1,2，丁學(xué)專1，楊 波1，劉銀年1,2

（1.中國(guó)科學(xué)院紅外探測(cè)與成像技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國(guó)科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083；2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049）

覆蓋“日盲”紫外到近紫外波段的光學(xué)材料少，增加了小F數(shù)、大視場(chǎng)寬譜段紫外高光譜成像儀設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。本文僅采用熔融石英和氟化鎂兩種材料，設(shè)計(jì)了一套寬譜段紫外高光譜成像儀，光譜范圍為250～400 nm，焦距15 mm，F(xiàn)數(shù)3.2，視場(chǎng)31°。系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了模塊化設(shè)計(jì)，前置成像鏡頭和后接光譜儀可獨(dú)立成像。為保證對(duì)接后高光譜成像儀具有較好的像質(zhì)，紫外鏡頭采用像方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)；光譜儀采用Offner結(jié)構(gòu)，且反射鏡實(shí)現(xiàn)了一體化設(shè)計(jì)，由兩個(gè)元件組成，可實(shí)現(xiàn)同軸安裝，極大降低了裝調(diào)難度。對(duì)接后紫外高光譜成像儀像質(zhì)較好，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，外形尺寸僅有128 mm×60 mm×60 mm，實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)輕小型化設(shè)計(jì)。

高光譜成像儀；寬譜段紫外；輕小型化；模塊化

0 引言

高光譜成像儀在傳統(tǒng)幾何成像的基礎(chǔ)上，將成像輻射波段劃分為更狹窄的成百上千個(gè)譜段，同時(shí)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行成像，獲取目標(biāo)的成百上千幅不同譜段圖像。它集相機(jī)、輻射計(jì)和光譜儀于一體，可同時(shí)獲取目標(biāo)的幾何、輻射和光譜信息，在目標(biāo)識(shí)別方面具有類似“指紋”識(shí)別的效果。

近年來(lái)，高光譜成像技術(shù)在精細(xì)農(nóng)業(yè)、城市規(guī)劃、環(huán)境生態(tài)、減災(zāi)防災(zāi)以及國(guó)土資源系統(tǒng)監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用[1]，波段逐漸由可見(jiàn)-短波紅外波段向熱紅外和紫外波段延拓。

紫外波段范圍為10～400 nm，其中波長(zhǎng)范圍10～200 nm為真空紫外波段；200～300 nm稱為“日盲”紫外；300～400 nm稱為近紫外波段或可見(jiàn)盲紫外，是紫外波段僅有的大氣窗口，目標(biāo)探測(cè)重要波段。

目前，紫外探測(cè)技術(shù)已廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、科學(xué)探索、環(huán)境監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域，并受到各國(guó)廣泛關(guān)注，國(guó)外紫外探測(cè)的主要應(yīng)用為：大氣臭氧含量監(jiān)測(cè)、海洋溢油污染監(jiān)測(cè)、公安偵查、電力巡線等領(lǐng)域[2-3]。

傳統(tǒng)工業(yè)紫外鏡頭為實(shí)現(xiàn)小F數(shù)、大視場(chǎng)，多采用非像方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)，極大地降低了紫外高光譜成像儀像質(zhì)。本文僅采用氟化鈣（CaF2）和熔融石英（F_SILICA）玻璃透鏡設(shè)計(jì)了一套波段250～400 nm，焦距15 mm，F(xiàn)數(shù)3.2，視場(chǎng)31°的低成本像方遠(yuǎn)心物鏡；同時(shí)設(shè)計(jì)了反射鏡一體化光譜儀，可實(shí)現(xiàn)同軸安裝，極大地降低了裝調(diào)檢測(cè)難度；模塊化紫外高光譜成像儀集成后像質(zhì)較好，工程可實(shí)現(xiàn)性高。

1 紫外成像光譜儀結(jié)構(gòu)形式

1.1 紫外物鏡結(jié)構(gòu)形式

紫外物鏡是成像光譜儀系統(tǒng)重要的集光模塊，可大幅提高系統(tǒng)目標(biāo)探測(cè)距離與探測(cè)視場(chǎng)?，F(xiàn)階段主要的結(jié)構(gòu)形式有反射型和透射型兩種形式。反射型結(jié)構(gòu)不受材料限制，可以實(shí)現(xiàn)寬譜段成像探測(cè)[4]，但視場(chǎng)一般小于20°，不利于地面大幅寬成像觀測(cè)，且不容易實(shí)現(xiàn)輕小型化設(shè)計(jì)。透射式結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于250～400nm紫外波段，相比反射式結(jié)構(gòu)盡管造成一定的光學(xué)損耗，但其高聚光性能、大視場(chǎng)、同軸輕小型化優(yōu)勢(shì)，滿足于現(xiàn)階段大視場(chǎng)對(duì)地觀測(cè)需求?？晒こ袒瘧?yīng)用的高透過(guò)率紫外透射材料較少，且需保證像方遠(yuǎn)心成像，以保證成像光譜儀優(yōu)良性能，這給系統(tǒng)像質(zhì)優(yōu)化帶來(lái)困難。為保證像質(zhì)同時(shí)兼顧大視場(chǎng)成像鏡頭多為大F數(shù)鏡頭，如UV-100鏡頭F數(shù)為5.6，且不滿足高光譜成像物鏡像方遠(yuǎn)心的要求，嚴(yán)重影響成像光譜儀最終成像性能，空間分辨率，光譜分辨率大幅降低。

1.2 紫外光譜儀常見(jiàn)分光方式

為保證紫外光譜成像儀系統(tǒng)具有較高的光學(xué)效率，主要分光方式為反射衍射光柵方式，較為典型的是基于超環(huán)面光柵分光和凸面閃耀光柵分光。

基于超環(huán)面光柵分光紫外光譜儀，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，光學(xué)效率高，但系統(tǒng)F數(shù)通常較大，不小于5[5-6]，不利于像面照度提高，通常被用于遠(yuǎn)紫外波段光譜探測(cè)。基于凸面閃耀光柵的Offner光譜儀，其像差校正自由度參量較傳統(tǒng)平面、凹面閃耀光柵光譜儀增多，像差校正能力強(qiáng)，可實(shí)現(xiàn)小F數(shù)設(shè)計(jì)，大幅度提高了光譜儀像面照度，同時(shí)大幅縮小了外形重量與體積，有利于實(shí)現(xiàn)輕小型化設(shè)計(jì)。

2 寬譜段紫外高光譜成像儀設(shè)計(jì)原理

寬譜段像方遠(yuǎn)心物鏡可用透鏡材料較少，主要是熔融石英、氟化鎂、氟化鈣，因此，影響物鏡成像質(zhì)量的主要是色差。此外，隨著相對(duì)孔徑及視場(chǎng)的增大，系統(tǒng)軸外像差的影響變得比較嚴(yán)重，初級(jí)像差與光闌位置存在以下關(guān)系[7-8]：

式中：＝p*－p，由上述關(guān)系式可知，光闌位置變化對(duì)軸外視場(chǎng)引入像差起到調(diào)控作用，配合光闌位置優(yōu)化選擇可將軸外像差降到最低。

單個(gè)薄透鏡軸上位置色差可通過(guò)色差公式計(jì)算：

對(duì)于由兩種透鏡材料組成的多透鏡系統(tǒng)色差可表示為：

若實(shí)現(xiàn)消色差，則有：

由消色差公式可以看出，通過(guò)合理的光焦度分配及透鏡個(gè)數(shù)分配，可將軸上色差降到最低。

紫外光譜成像儀采用Offner結(jié)構(gòu)形式，對(duì)于凸面光柵子午面上的離軸物點(diǎn)經(jīng)反射光柵所成的像滿足以下羅蘭條件：

弧矢面上所成的像滿足：

式中：、￠分別為羅蘭光柵的入射角與衍射角；為入射參考光線與凸面光柵的交點(diǎn)到入射光線與羅蘭圓交點(diǎn)的距離；M￠、S￠分別為入射參考光線與凸面光柵的交點(diǎn)到子午像點(diǎn)、弧矢像點(diǎn)的距離。得出子午面內(nèi)得到良好像質(zhì)的條件是：每個(gè)反射鏡或光柵的物點(diǎn)像點(diǎn)都位于其羅蘭圓上時(shí)，系統(tǒng)消彗差。

借助于Solidworks軟件，分析了當(dāng)兩塊反射鏡的曲率相同且一體化時(shí)，是否滿足羅蘭條件，由分析圖（圖1）可知：盡管0與點(diǎn)不重合，但是依然滿足經(jīng)反射鏡A的像點(diǎn)與反射鏡B的物點(diǎn)均位于羅蘭圓上，同時(shí)光柵與反射鏡同軸。

圖1 一體反射鏡羅蘭條件原理圖

3 寬譜段紫外高光譜成像儀設(shè)計(jì)

基于現(xiàn)有的像元大小14mm×14mm，面陣大小640×480紫外探測(cè)器，設(shè)計(jì)了一套波段覆蓋“日盲”紫外到近紫外的寬譜段高光譜成像儀。系統(tǒng)具體設(shè)計(jì)指標(biāo)如表1所示。

表1 寬譜段紫外高光譜成像儀設(shè)計(jì)指標(biāo)

3.1 寬譜段像方遠(yuǎn)心物鏡設(shè)計(jì)

紫外成像物鏡設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示，為保證光學(xué)效率不低于70%，鏡片數(shù)不超過(guò)7片，僅采用熔融石英與氟化鎂兩種材料，根據(jù)紫外物鏡設(shè)計(jì)原理分析結(jié)果，利用ZEMAX軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真，通過(guò)光闌位置，各鏡片光焦度分配設(shè)計(jì)出了一套像質(zhì)優(yōu)良的像方遠(yuǎn)心物鏡，光路及像質(zhì)如圖2所示。

3.2 光譜儀設(shè)計(jì)

表3為光譜儀具體設(shè)計(jì)參數(shù)，采用Offner結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)一體化反射鏡羅蘭條件分析，設(shè)計(jì)中將兩塊反射鏡曲率半徑設(shè)計(jì)為相同，同時(shí)，保證反射鏡位于同一平面內(nèi)，實(shí)現(xiàn)一體化，圖3為光譜儀光路及像質(zhì)評(píng)價(jià)圖。

表2 像方遠(yuǎn)心物鏡設(shè)計(jì)參數(shù)

圖2 像方遠(yuǎn)心成像紫外物鏡光路及像質(zhì)

表3 光譜儀設(shè)計(jì)參數(shù)

圖3 紫外光譜儀設(shè)計(jì)光路及像質(zhì)

3.3 紫外高光譜成像儀系統(tǒng)像質(zhì)分析

寬譜段紫外高光譜成像儀模塊化對(duì)接像質(zhì)分析是檢驗(yàn)系統(tǒng)模塊化設(shè)計(jì)效果好壞的試金石。

圖4為模塊化集成成像光譜儀光路及波段最差像質(zhì)評(píng)價(jià)圖，光學(xué)系統(tǒng)尺寸為128 mm×60 mm×60 mm。隨著視場(chǎng)增大，成像光譜儀傳遞函數(shù)MTF大幅降低，彌散斑半徑呈增大趨勢(shì)，位于譜段兩端的像質(zhì)影響最大，圖4列出了最差像質(zhì)評(píng)價(jià)圖，從圖中可以看出：波段最大彌散斑半徑RMS為5.4mm，小于1/2像元；MTF最小值大于0.52@35.8 LP/mm，滿足設(shè)計(jì)指標(biāo)要求。

4 紫外光譜成像儀信噪比分析

信噪比是儀器性能評(píng)估的重要指標(biāo)，信噪比計(jì)算公式為：

式中：read為電路讀出噪聲。

假定“日盲”紫外至近紫外波段地面反射率為0.3；電路讀出噪聲電子數(shù)read為35；探測(cè)器像元大小為14mm×14mm；單個(gè)透鏡鍍膜后透過(guò)率為0.95；反射鏡反射率為0.95；代入信噪比計(jì)算公式，并作圖信噪比-波長(zhǎng)曲線如圖5所示。

圖4 高光譜成像儀光路及像質(zhì)

從圖5高光譜成像儀波段信噪比曲線可以看出，光譜采樣間隔為1.2 nm時(shí)，紫外波段大氣窗口波段290～400nm，信噪比高于100，滿足被動(dòng)高光譜探測(cè)設(shè)計(jì)要求；受“日盲”紫外波段地面輻照度低的影響，最小信噪比優(yōu)于65，信噪比已達(dá)到目標(biāo)圖譜探測(cè)信噪比要求，可通過(guò)降低光譜采樣間隔，即光譜維雙通道合并，或者增加主動(dòng)光源以實(shí)現(xiàn)更高信噪比高光譜探測(cè)。

圖5 寬譜段紫外高光譜成像儀波段信噪比曲線

5 結(jié)論

本文設(shè)計(jì)了一套波段覆蓋“日盲”紫外至近紫外寬譜段紫外高光譜成像儀，波段250～400nm，焦距15 mm，F(xiàn)數(shù)為3.2，視場(chǎng)31°，光譜分辨率為1.2nm。設(shè)計(jì)優(yōu)勢(shì)在于：透鏡材料僅采用氟化鎂和熔融石英兩種材料，材料來(lái)源廣且成本低；模塊化設(shè)計(jì)，前置物鏡與光譜儀可獨(dú)立理想成像；物鏡采用像方遠(yuǎn)心設(shè)計(jì)，極大地降低了傳統(tǒng)非像方遠(yuǎn)心物鏡對(duì)成像光譜儀像質(zhì)的影響；光譜儀一體化設(shè)計(jì)，使得同軸兩鏡裝調(diào)檢測(cè)代替離軸三鏡裝調(diào)檢測(cè)，降低了元件加工裝調(diào)難度，提高了系統(tǒng)裝調(diào)效率；輕小型化設(shè)計(jì)，拓寬了高光譜成像儀的平臺(tái)適用范圍。最后，結(jié)合實(shí)際應(yīng)用，對(duì)系統(tǒng)波段信噪比進(jìn)行了分析，驗(yàn)證了寬譜段紫外高光譜成像儀設(shè)計(jì)的可行性。

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Optical System Design for Compact Wide Spectrum of Ultraviolet Hyper-spectral Imager

ZHANG Zongcun1,2，DING Xuezhuan1，YANG Bo1，LIU Yinnian1,2

(1.,,,200083,; 2.,100049,)

To design an ultraviolet imaging instrument with wide spectrum, small F number and large field of view is quite difficult due to the short of optical materials that can be used in the UV lens, especially the lens covering “solar blind” ultraviolet to near ultraviolet waveband. In this paper, a wide spectrum ultraviolet hyper-spectral imager was designed using F_SILICA and MgF2only, whose wavelength was 250-400 nm, focal length was 15 mm, F number was 3.2, and total field of view was 31 degrees. The system has modular design, which can be a big advantage for the pre imaging lens and the rear spectrometer imaging independently. Additionally, the UV lens was designed with the near image to ensure good image quality for the hyper-spectral imager. Moreover, the reflecting Offner spectrometer was integratively designed with only two elements and can be mounted in line, which largely reduced the difficulty of installation and adjusting. The system is compact and small with the size of 128 mm×60 mm×60 mm.

hyper-spectral imaging instrument，wide spectrum ultraviolet，miniaturization，modularization

TN216

A

1001-8891(2017)04-0304-05

2016-08-05；

2016-10-05.

張宗存（1987-），男，山東沂水人，博士研究生，研究方向?yàn)榧t外系統(tǒng)設(shè)計(jì)、光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)。E-mail：zongcunzhang2015@163.com。

劉銀年（1971-），男，甘肅武威人，研究員，博士生導(dǎo)師，主要從事紅外高光譜光電遙感技術(shù)研究。E-mail：ynliu@mail.sitp.ac.cn。

國(guó)家“863”計(jì)劃資助項(xiàng)目（2014AA123202）。