专利名称：谐衍射红外双波段超光谱成像系统的制作方法
技术领域：
本发明属于光学成像系统，涉及到一种军事侦察系统信息准确度的提
高，特别是涉及到基于3. 2-4. 8to和8-12,双波段折射/谐衍射混合超光谱 成像方式来增加侦察系统的信息量，提高目标探测、识别的准确度。
背景技术：
现代侦査要求全天候、高分辨率、实时传输的侦察系统。而单一波段红 外探测系统获取的信息弱、准确度低，已不能满足现代军事探测的要求。红 外超光谱侦察仪器能够在波长相邻、连续采样的窄带光谱波段上获得数十至 数百个通道光谱图像，利用这种高光谱分辨率的超光谱图像数据，可以根据 地球表面众多物体的光谱特征精确地识别目标，还能做到对地面物质的理 化、生物性能诊断和成分分析等，因此，它具有广泛的应用前景和其他技术 手段无法比拟的优势。
在过去的十几年里，欧美等国先后投入了大量人力和物力对超光谱成像 光谱仪进行研究，已发展了多种色散型、计算层析型和干涉傅里叶变换类型 的超光谱成像技术，其中有一些已在实际系统中得到应用。Lyons提出一种 新颖结构，利用衍射光学透镜独特的色散特性设计出用于可见或红外光谱范 围的成像光谱仪。在这里，衍射透镜既是分光元件又是成像元件，这种光谱 仪只能探测一个波段的信号。1995年Sweeney， So咖argren， Faklis和Morris 等人，分别提出了谐衍射透镜(HDE)的概念，它可以在一系列分离波长处获得相同的光焦度，可用在多光谱、宽视场及大数值孔径的光学成像系统中。
2005年，美国陆军试验室应用制冷型光子探测阵列建立了中波红外(3 5u m)和长波红外(8 14um)波段的双波段超光谱成像仪。但是，目前国内还没 生产长波制冷型探测的能力，而且难于从国外采购。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术中存在的问题，以及国内探测器发展的现
状，发明一种3. 2-4. 8,和8-12Wii双波段折射/谐衍射混合超光谱成像系统， 中波3. 2-4. 8他采用制冷型探测器阵列，长波8-12to采用非制冷型探测器 阵列，来实现中、长波红外双波段超光谱成像。基于这种需要，本发明设计 了一种3. 2-4. 8陶和8-12他双波段折射/谐衍射混合超光谱成像仪，可在中、 长波红外双波段获得数百个光谱图像。
为了满足现代军事的需求，本发明采用如图l， 2， 3所示的技术方案， 包括谐衍射透镜，孔径光阑，制冷型焦平面探测器和非制冷型焦平面探测器。 谐衍射透镜的材料为锗。
图1中波红外双波段超光谱成像系统中谐衍射透镜，孔径光阑，制冷型 焦平面探测器在同一光轴上顺序放置。图2长波红外双波段超光谱成像系统 中谐衍射透镜，孔径光阑，非制冷型焦平面探测器在同一光轴上顺序放置。
各部件的位置及连接关系在同一光轴上沿入射光传播方向依次放置谐 衍射透镜，孔径光阑，制冷型焦平面探测器或者非制冷型焦平面探测器；本 发明的工作目标发出的或者反射的3.2-4.8陶和8-12Wn波段的中、长波红 外辐射，通过谐衍射透镜分光和聚焦，将3. 2-4. 8Mm和8-12Mm波段的中、 长波红外的各个离散波长分别成像在制冷型焦平面探测器和非制冷型焦平面探测器，工作原理示意图如图3所示。
本发明的优点在满足当前国内衍射透镜面形加工的技术要求的前提 下，通过优化设计谐衍射面的面形参数和谐衍射透镜1和孔径光阑2之间的 距离，使系统的单色像差达到最佳分配，该设计完全能够满足光学系统成像 要求。使双波段折射/谐衍射混合超光谱成像系统，满足现代军事侦查要求 全天候、高分辨率、实时传输、大信息量、高准确度的要求。
图1是本发明的3. 2-4. 8Wn制冷型折射/谐衍射混合超光谱成像系统 结构示意图。
图2是本发明的8-12Wn非制冷型折射/谐衍射混合超光谱成像系统结 构示意图。
图3是本发明的中、长波红外两个谐振波段同时显示的光学系统的光路图。
图4是本发明的谐衍射面的线频率(a)和相位(b)随元件径向坐标 的变化曲线。
图5给出实施例光学系统的调制传递函数曲线图，(a)、 (b)、 (c)、 (d)、 (e)、 (f)6、另U为中波4. 8um、 4um、 3. 2 u m禾口长波12 u m、 10 u m、 8 y m 处的调制传递函数曲线图。
具体实施例方式
以下就结合实施例对本发明作进一步详细说明。
参照图1， 2， 3， 一种3. 2-4. 8Wn和8-12陶双波段折射/谐衍射混合超光 谱成像系统，本发明根据现代军事侦查要求全天候、高分辨率、实时传输、大信息量、高准确度的要求，选取3. 2-4. 8Wn和8-12Wn中、长红外波段作 为光学系统的工作波段，通过谐衍射透镜1的分光和聚光特性将数百个工作 波长的信息成像在制冷型焦平面探测器3和非制冷型焦平面探测器3。最后， 通过图像重构的方法将各个波长图像信息融合到目标图像中。
本发明光学系统的具体结构如下在同一光轴上沿入射光传播方向依次 设置谐衍射透镜l，孔径光阑2，制冷型焦平面探测器3或者非制冷型焦平 面探测器3，；入射的3. 2-4. 8他和8-12Pm中、长红外波段通过谐衍射透镜 1分光和会聚后，经孔径光阑2，分别成像在制冷型焦平面探测器3或者非 制冷型焦平面探测器3'。
所述的谐衍射透镜1的材料为锗。通过调节谐衍射透镜1和制冷型焦平 面探测器3或者非制冷型焦平面探测器3'之间的距离来获得两个工作段内 各个波长的目标图像的信息。通过优化设计谐衍射面的面形参数和谐衍射透 镜1和孔径光阑2之间的距离，使系统的单色像差达到最佳分配。
所述的谐衍射透镜1后表面上加工成谐衍射面，选择设计波长^。为 10Mm，相位匹配因子= 2。则其谐振波长4幽的衍射级次为"=5，满足 p义。二/zM的谐振条件。图3是中、长波红外两个谐振波段同时显示的光路图， 虚线框q， c2， &的位置分别是^=12/^、4.8/^，中心谐振波长;1。=10/^、4/^和 ^ ^8/^、3.2/im在制冷型焦平面探测器3或者非制冷型焦平面探测器3'的成 像位置。
本发明的系统中，在设计波长10Mm处，孔径光阑1 口径为14mm;系统 的F数为1.6，满足非制冷探测器信噪比对F数的要求；全视场角为12。。 通常设旋转对称二元光学衍射面的相位函数表示形式为^ = m(命2 +命4 +命6 +......)=附Z々2''
式中，m为衍射级次，4为二次相位系数，决定该面的傍轴光焦度，4 4等为非球面相位系数，用于校正系统的单色像差。 则二元光学衍射面的光焦度为
a 附义j ①,——4
因此，当衍射面的面形参数确定4后，就可以计算不同波长义的光焦度， 从而可以分别确定中、长波段像平面的变化范围A,和A,，如图3所示。
A，
①8戶 ①12/m
为很好的校正各种单色像差，在光学系统设计过程中，充分考虑到衍射 面的像差特性与孔径光阑位置的关系。以^表示主光线在D0E上的投射高，
并令^ = ^"，则衍射面的初级像差与孔径光阑位置的关系可表示为
4小3
《=(1 + 52 + 3C2) — 8义4/
(1)
S; =—y202/fC + s(1 + 52 + 3C2) — 8义43;4
(2)
S m = Z/2①-2s(卢實+ e) + (1 ++ 3C" - 8"2/ ]
(3)
匹兹万场曲系数
SIV=畸变系数
<formula>formula see original document page 8</formula>( 5 )
由以上衍射面的像差公式可知，谐衍射元件可以通过调整谐衍射元件的 位相系数A2，可以使各种单色像差得到很好的平衡。
图4给出了双波段折射/谐衍射混合超光谱成像系统的谐衍射面的线频 率(a)和相位(b)随元件径向坐标的变化曲线。由图可知，谐衍射面具有 大约162个环带周期，最高频率约为8.8环/mm，完全满足当前国内衍射透 镜面形加工的技术要求。
图5给出光学系统分别在中波4. 8iim、 4um、 3. 2um和长波12ym、 10um、 8um的调制传递函数曲线图，分别对应图中(a)、 (b) 、 (c)和(d)、 (e)、 (f)，由调制传递函数曲线图可知，该设计完全能够满足光学系统成像 要求。
权利要求
1、谐衍射红外双波段超光谱成像系统，其特征在于谐衍射红外双波段超光谱成像系统包括中红外波段超光谱成像系统，其中包括谐衍射透镜(1)，孔径光阑(2)，制冷型焦平面探测器(3)；长红外波段超光谱成像系统，其中包括谐衍射透镜(1)，孔径光阑(2)，非制冷型焦平面探测器(3’)；各部件的位置及连接关系；在同一光轴上沿入射光传播方向依次放置谐衍射透镜(1)，孔径光阑(2)，制冷型焦平面探测器(3)或者非制冷型焦平面探测器(3’)；入射的中、长红外波段通过谐衍射透镜(1)分光和会聚后，经孔径光阑(2)，分别成像在制冷型焦平面探测器(3)或者非制冷型焦平面探测器(3’)。
2、 根据权利要求1所述的谐衍射红外双波段超光谱成像系统，其特征 在于所述工作波段为中红外波段是3.2-4.8to，长红外波段是8-12to。
3、 根据权利要求1所述的谐衍射红外双波段超光谱成像系统，其特征 在于所述的谐衍射透镜(1)后表面上加工成谐衍射面，满足P^。二历2的谐 振条件，设定谐衍射透镜(1)和孔径光阑(2)之间的距离、谐衍射透镜的 面型参数4、 4、 4为变量，并对系统进行优化，使系统的单色像差达到最 佳分配。
全文摘要
谐衍射红外双波段超光谱成像系统，属于光学成像系统。该系统包括中红外波段3.2-4.8μm和长红外波段8-12μm双波段超光谱成像系统，其中包括谐衍射透镜，孔径光阑，制冷型焦平面探测器或非制冷型焦平面探测器；各部件的位置及连接关系在同一光轴上沿入射光传播方向依次放置谐衍射透镜，孔径光阑，制冷型焦平面探测器或者非制冷型焦平面探测器；入射的中、长红外波段通过谐衍射透镜分光和会聚后，经孔径光阑，分别成像在制冷型焦平面探测器或者非制冷型焦平面探测器上。本发明的优点；通过优化设计谐衍射面的面形参数和谐衍射透镜和孔径光阑之间的距离，使系统的单色像差达到最佳分配，满足光学系统在中、长波红外各个波长的成像要求。
文档编号G01J3/28GK101424571SQ20081005155
公开日2009年5月6日 申请日期2008年12月9日 优先权日2008年12月9日
发明者英 刘, 卢振武, 强 孙, 健 王 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所