一種大視場(chǎng)、小f數(shù)的超高分辨率紫外光譜成像儀的制作方法
【專利摘要】一種大視場(chǎng)、小F數(shù)的超高分辨率紫外光譜成像儀屬于成像【技術(shù)領(lǐng)域】，其依次設(shè)置第一彎月透鏡、第二彎月透鏡、第一雙凹透鏡、孔徑光闌、第一雙凸透鏡、第二雙凸透鏡、雙凹透鏡、第三雙凸透鏡和第三彎月透鏡；所有透鏡同光軸放置，第一彎月透鏡，第二彎月透鏡和第一雙凹透鏡組成前置鏡組，實(shí)現(xiàn)一次成像，會(huì)聚面位于孔徑光闌上；第一雙凸透鏡，第二雙凸透鏡，第二雙凹透鏡，第三雙凸透鏡和第三彎月透鏡組成后鏡組，對(duì)孔徑光闌會(huì)聚光線面進(jìn)行二次成像，成像位于像面上。本發(fā)明組成元件簡(jiǎn)單易加工制造，系統(tǒng)體積小，公差好，易于裝配，成像質(zhì)量?jī)?yōu)越，在奈奎斯特頻率為100lp/mm的情況下全視場(chǎng)全波段調(diào)制傳遞函數(shù)值優(yōu)于0.48，成像畸變低于0.5％。
【專利說(shuō)明】一種大視場(chǎng)、小F數(shù)的超高分辨率紫外光譜成像儀

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于紫外光譜成像【技術(shù)領(lǐng)域】，是一種在一定紫外帶寬下具有超高空間分辨率的大視場(chǎng)、小F數(shù)的光譜成像儀光學(xué)系統(tǒng)。

【背景技術(shù)】
[0002]高空間分辨率紫外光譜成像儀器在紫外告警技術(shù)和紫外大氣觀測(cè)等多個(gè)研宄領(lǐng)域具有重要的作用。小型高分辨率紫外光譜成像儀器能夠以低虛警率和高空間覆蓋范圍等優(yōu)點(diǎn)完成對(duì)導(dǎo)彈威脅的快速、準(zhǔn)確定位，可以幫助提高對(duì)近距離短程精確導(dǎo)彈的預(yù)警能力；大氣中的臭氧等氣體會(huì)強(qiáng)烈吸收200nm?300nm之間的紫外光，通過在空間載荷上的搭載，該類儀器可以很好的對(duì)大氣成分進(jìn)行分析遙感。但是現(xiàn)有的紫外光譜儀仍然存在以下幾個(gè)冋題:
[0003]1、透射光學(xué)材料在紫外波段色散大，可選范圍小，阿貝數(shù)相近，設(shè)計(jì)系統(tǒng)色差不易消除；
[0004]2、能量傳輸和信噪比要求高，因此系統(tǒng)F數(shù)??；同時(shí)要求覆蓋視場(chǎng)大，從而導(dǎo)致軸上點(diǎn)像差與軸外點(diǎn)像差影響大，成像質(zhì)量不易提高；
[0005]3、受探測(cè)器與F數(shù)限制，系統(tǒng)焦距較小，高空間分辨率實(shí)現(xiàn)困難。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]為了解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種大視場(chǎng)、小F數(shù)的超高分辨率紫外光譜成像儀，該光譜儀在大視場(chǎng)的范圍內(nèi)可以確保目標(biāo)景物的大范圍覆蓋，保證了觀測(cè)信息的不遺漏，而系統(tǒng)的小F數(shù)則可以確保系統(tǒng)傳輸?shù)哪芰亢透咝旁氡取?br> [0007]本發(fā)明解決技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案如下:
[0008]一種大視場(chǎng)、小F數(shù)的超高分辨率紫外光譜成像儀，該成像儀依次設(shè)置第一彎月透鏡1、第二彎月透鏡2、第一雙凹透鏡3、孔徑光闌4、第一雙凸透鏡5、第二雙凸透鏡6、雙凹透鏡7、第三雙凸透鏡8和第三彎月透鏡9 ;所有透鏡同光軸放置，第一彎月透鏡1，第二彎月透鏡2和第一雙凹透鏡3組成前置鏡組，對(duì)外界景物實(shí)現(xiàn)一次成像會(huì)聚，會(huì)聚面位于孔徑光闌上；第一雙凸透鏡5，第二雙凸透鏡6，第二雙凹透鏡7，第三雙凸透鏡8和第三彎月透鏡9組成后鏡組，對(duì)孔徑光闌會(huì)聚光線面進(jìn)行二次成像，色散光譜成像位于像面上。
[0009]本發(fā)明的有益效果是:本發(fā)明組成元件簡(jiǎn)單易加工制造，系統(tǒng)體積小，系統(tǒng)公差好，易于裝配，成像質(zhì)量?jī)?yōu)越，可在奈奎斯特頻率為1001p/mm的情況下全視場(chǎng)全波段調(diào)制傳遞函數(shù)值優(yōu)于0.48，成像畸變低于0.5%。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]圖1本發(fā)明一種大視場(chǎng)、小F數(shù)的超高分辨率紫外光譜成像儀的結(jié)構(gòu)圖；
[0011]圖2本發(fā)明一種大視場(chǎng)、小F數(shù)的超高分辨率紫外光譜成像儀全視場(chǎng)全波段下的MTF 圖；
[0012]圖3本發(fā)明一種大視場(chǎng)、小F數(shù)的超高分辨率紫外光譜成像儀場(chǎng)曲和畸變圖。

【具體實(shí)施方式】
[0013]下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0014]本發(fā)明屬于光譜成像【技術(shù)領(lǐng)域】，是一種可以在一定紫外帶寬下獲取大范圍景物紫外高精細(xì)分辨率圖像的成像光譜學(xué)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)中的組成部分包括:第一彎月透鏡1，第二彎月透鏡2，第一雙凹透鏡3，孔徑光闌4，第一雙凸透鏡5，第二雙凸透鏡6，第二雙凹透鏡7，第三雙凸透鏡8，第三彎月透鏡9和像面10。第一彎月透鏡1，第二彎月透鏡2第一和雙凹透鏡3組成前置鏡組，對(duì)外界景物實(shí)現(xiàn)一次成像會(huì)聚，會(huì)聚面位于孔徑光闌上；第一雙凸透鏡5，第二雙凸透鏡6，第二雙凹透鏡7，第二雙凸透鏡8和第三彎月透鏡9組成后鏡組，對(duì)孔徑光闌會(huì)聚光線面進(jìn)行二次成像，所得光譜成像位于像面10上。
[0015]本發(fā)明通過對(duì)成像像差理論的研宄和系統(tǒng)光焦度分配的分析完成對(duì)系統(tǒng)中各個(gè)組成元件的設(shè)計(jì)。
[0016]在系統(tǒng)選型上，反射式系統(tǒng)和折反式系統(tǒng)難以達(dá)到所要求的視場(chǎng)角覆蓋，且反射鏡不易加工，成本較高，因此系統(tǒng)構(gòu)型選擇了透射式系統(tǒng)?？捎玫淖贤釩CD像元數(shù)為1024X1024，像素大小為25.6微米，在視場(chǎng)為40°的需求下，計(jì)算得到系統(tǒng)所需的焦距為36mm，保留一定余量取38mm ;保證系統(tǒng)的外形尺寸較小和重量較小的情況下，入瞳直徑不大于12mm，因此系統(tǒng)F數(shù)選定為3.5。
[0017]在紫外波段應(yīng)用時(shí)，紫外光譜成像透射系統(tǒng)的可選材料較少，在有高能量傳輸和高信噪比性能的要求下，就更加限制了紫外透鏡材料的選用，普通冕牌玻璃和火石玻璃在紫外透過率均很低，考慮到材料的理化性能和加工性能，可選材料就只有3?5種。為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的光焦度的分配，需要正透鏡用阿貝數(shù)高的材料，負(fù)透鏡用阿貝數(shù)低的材料，從工程易用性和材料的易應(yīng)用性考慮，最終選擇了熔石英和氟化鈣兩種材料。
[0018]發(fā)明采用的基礎(chǔ)系統(tǒng)是雙高斯透鏡系統(tǒng)，原雙高斯透鏡系統(tǒng)由前置透鏡組和后置透鏡組組成，兩組透鏡組各自分別由三片球面透鏡組成，前置透鏡組具有負(fù)光焦度，后置透鏡組具有正光焦度。發(fā)明主要通過對(duì)兩個(gè)透鏡組進(jìn)行材料更改、曲率半徑變化和鏡片數(shù)量的增加重新分配了系統(tǒng)的光焦度，修正了系統(tǒng)的高階像差量和色差，實(shí)現(xiàn)了像質(zhì)的最優(yōu)化。
[0019]由圖1所示，設(shè)計(jì)首先從前置透鏡組的改進(jìn)開始，為了滿足40°視場(chǎng)的要求，將第一彎月透鏡I的曲率半徑加大。在紫外波段，透鏡材料通常不使用膠合方法，尤其在具有高性能指標(biāo)設(shè)計(jì)要求的系統(tǒng)中，紫外光學(xué)膠會(huì)影響系統(tǒng)的設(shè)計(jì)指標(biāo)，因此需要將前置鏡組中的后兩片膠合鏡拆開；可選紫外材料為熔石英和氟化鈣，兩種材料的阿貝數(shù)比較相近，因此為了保證在孔徑光闌處的一次成像，這兩片透鏡需要拉開一定的距離；同時(shí)，氟化鈣具有鹵化物的易潮解和易受污染的特性，因此第一彎月透鏡I不能使用氟化鈣，這里將第一彎月透鏡I材料選為熔石英，第二彎月透鏡2材料為氟化鈣，第一雙凹透鏡3材料為熔石英，這種材料選擇有利于像差高級(jí)量的校正。
[0020]雙高斯透鏡系統(tǒng)的后置鏡組是典型的三片式，為了消除影響像質(zhì)的主要像差包括場(chǎng)曲、球差和倍率色差等，需要增加鏡片來(lái)對(duì)光焦度進(jìn)行重新分配。由于離光闌遠(yuǎn)端加入鏡片變換玻璃對(duì)倍率色差的校正較為敏感，我們考慮在貼近光闌處增加鏡片，由于前端鏡組的最后一片第一雙凹透鏡3選擇了熔石英，因此增加的第一雙凸透鏡5材料選用了氟化鈣以滿足前后透鏡間的正負(fù)關(guān)系；為了進(jìn)一步校正像差高級(jí)量，通常需要增大前后組的間隔來(lái)減小后組的偏角，發(fā)明中為了減小拉大間隔帶來(lái)的體積增加，可在后置鏡組增加的第一雙凸透鏡5后再增加第二雙凸透鏡6，材料同樣選擇氟化鈣，這樣就減小了系統(tǒng)的高級(jí)像差量，保證了球差的進(jìn)一步校正。后置透鏡組中第二雙凹透鏡7材料為熔石英，第三雙凸透鏡8材料為氟化鈣，最后一片第三彎月透鏡9在原雙高斯透鏡系統(tǒng)上進(jìn)行了形式的改進(jìn)，改變了其透射面的曲率半徑方向，材料選擇為熔石英。
[0021]圖2給出了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的全視場(chǎng)全波段調(diào)制傳遞函數(shù)值圖。該函數(shù)值全面的反映了系統(tǒng)的設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)結(jié)果。圖中選擇了 10°半視場(chǎng)、14°半視場(chǎng)和20°半視場(chǎng)來(lái)進(jìn)行追跡。其中實(shí)線代表子午方向調(diào)制傳遞函數(shù)值，虛線代表弧矢方向傳遞函數(shù)值?？梢钥吹剑S著視場(chǎng)的增大，調(diào)制傳遞函數(shù)值在逐漸下降。其中邊緣視場(chǎng)即20°半視場(chǎng)在1001p/mm的奈奎斯特頻率(即圖中的空間頻率周/_)下優(yōu)于0.48，設(shè)計(jì)系統(tǒng)在全視場(chǎng)全波段均實(shí)現(xiàn)了非常好的成像質(zhì)量。
[0022]圖3給出了設(shè)計(jì)系統(tǒng)的場(chǎng)曲和畸變圖，圖中選擇了中心波長(zhǎng)和兩個(gè)邊緣波長(zhǎng)進(jìn)行分析。虛線代表場(chǎng)曲的子午方向，實(shí)線代表場(chǎng)曲的弧矢方向。在場(chǎng)曲顯;^中，產(chǎn)生最大場(chǎng)曲的波長(zhǎng)是邊緣波長(zhǎng)280nm，離焦量約為0.056mm ;而在畸變顯示中，系統(tǒng)的最大畸變低于0.5%，這些數(shù)值證明系統(tǒng)達(dá)到了良好的畸變和場(chǎng)曲設(shè)計(jì)控制結(jié)果。
【權(quán)利要求】
1.一種大視場(chǎng)、小F數(shù)的超高分辨率紫外光譜成像儀，其特征在于，該成像儀依次設(shè)置第一彎月透鏡(I)、第二彎月透鏡(2)、第一雙凹透鏡(3)、孔徑光闌(4)、第一雙凸透鏡(5)、第二雙凸透鏡出)、第二雙凹透鏡(7)、第三雙凸透鏡(8)和第三彎月透鏡(9);所有透鏡同光軸放置，第一彎月透鏡(I)，第二彎月透鏡(2)和第一雙凹透鏡(3)組成前置鏡組，對(duì)外界景物實(shí)現(xiàn)一次成像會(huì)聚，會(huì)聚面位于孔徑光闌上；第一雙凸透鏡(5)，第二雙凸透鏡(6)，第二雙凹透鏡(7)，第三雙凸透鏡(8)和第三彎月透鏡(9)組成后鏡組，對(duì)孔徑光闌會(huì)聚光線面進(jìn)行二次成像，所得光譜成像位于像面(10)上。
2.如權(quán)利要求1所述的一種大視場(chǎng)、小F數(shù)的超高分辨率紫外光譜成像儀，其特征在于，所述成像儀的工作波段為240nm?280nm，全觀測(cè)視場(chǎng)40°，系統(tǒng)焦距為38mm，F(xiàn)數(shù)為.3.5，全視場(chǎng)全波段調(diào)制傳遞函數(shù)值在1001p/mm的奈奎斯特頻率下可以達(dá)到0.48以上。
【文檔編號(hào)】G02B13/06GK104503065SQ201410821272
【公開日】2015年4月8日 申請(qǐng)日期:2014年12月25日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月25日
【發(fā)明者】于磊, 林冠宇, 王淑榮 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所