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多波段光谱接收与可见光成像共孔径光学系统设计.docx
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多波段光谱接收与可见光成像共孔径光学系统设计.docx
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0. 引 言
在工业检测和军事应用中,除了目标的可见光图像信息之外,有时还需要对目标的光
谱信息进行采集,以此获得更加丰富的探测数据。但仅将多个光学系统进行拼接来进行探
测作业,整体系统的体积较大、制造成本相较偏高,且难以保证系统在时间与空间上的一
致性,因此,多波段共孔径光学系统应运而生
[1]
。常用共孔径结构由共用前置光路、分光
元件及独立后置光路三部分组成。其中,前置光路的实现方式包括卡塞格林式光学结构、
离轴三反式光学结构或折射透镜组;分光元件包括棱镜、分光平板等;后置光路一般由多
个单独镜头外加能够响应不同波段的探测器组成
[2]
。
2016 年,Mahmoud Alaaeldin 等设计的可见/红外共孔径光学系统的工作波段为
0.5~0.7 μm 和 0.9~1.7 μm,其遮拦比为 0.35,较大,且主镜口径仅为 134 mm
[3]
。2017 年,
贾冰设计了多谱段共孔径跟踪/引导系统,该系统由同轴两反系统、分束镜与折射透镜组组
成,将可见光系统与高测量精度的激光系统相结合,虽然系统结构相对紧凑,但是工作波
段仅为可见光,且未涉及无热化问题,设计难度较低
[4]
。2019 年,Xin Liu 等设计了一款可
见/长波红外共孔径的光学系统,其采用离轴三反结构解决了同轴两反系统的中心遮拦问
题,但加工和装调难度较大
[5]
。2020 年,韩培仙设计了可见/中波双波段共孔径光学系统,
系统采用四片 45°反射镜组成反射光路,虽在一定程度上减小了系统的尺寸,但未对系统
进行无热化设计
[6]
。2021 年,马占鹏等设计了可见/红外双色共孔径光学系统,系统对分光
平板进行偏心处理,进一步提高了系统的成像质量,但系统的口径较小,仅为 150 mm,
且遮拦比相对较大,达到了 0.46
[7]
。
目前,在国内外可查询的公开报道中尚未发现工作波段为 200~2500 nm 的宽波段共孔
径消热差系统。
1. 工作原理及指标分析
1.1 系统工作原理
系统的光学载荷搭载在双轴转台上,由跟踪系统、多波段光谱接收和可见光成像共孔
径系统、长波红外探测系统三部分组成,实现对飞行目标的跟踪、成像、宽光谱信息提取
及长波红外热成像等功能,其工作原理图如图 1 所示。
图 1 光学载荷工作原理图
Fig. 1 Working principle diagram of optical load
下载: 全尺寸图片 幻灯片
系统工作时,首先由大视场跟踪系统对目标进行捕捉,然后将跟踪系统的焦段调至长
焦,利用小视场锁定目标后,由长波红外探测系统记录目标的热像信息。同时,多波段光
谱接收与可见光成像共孔径系统后端的高速摄像机对目标进行可见光成像并记录存储。目
标发出的光谱信息(200~2500 nm)分别由紫外、可见、短波红外光谱接收系统接收。其
中,短波红外光谱接收系统的像面通过光纤(Φ1.5 mm,NA=0.22)耦合至红外光谱仪,紫
外及可见光谱接收系统的像面分别经光纤耦合系统合束后输入至另一光谱仪中。两光谱仪
获取的光谱信号输入至工控机后进行信息处理,进而获得更丰富的目标探测信息。
文中根据任务要求,设计了一种折反式多波段共孔径光学系统,系统共孔径部分采用
卡塞格林系统光路结构,后端为可见光成像模块和各光谱接收模块的折射镜组,通过平板
分光的方式彼此相连。由于各光谱接收模块属于能量系统,相对于包含分光平板的成像模
块,其设计难度较低。因此,在设计整套光学系统时,先对可见光成像模块进行设计,再
结合系统前端的同轴两反结构参数,完成光谱接收模块后续光学组件的设计。重点对多波
段光谱接收与可见光成像共孔径系统进行了参数分析计算、光学系统的优化设计及公差分
析,并完成了满足光学无热化要求的机械结构设计,使该系统具备了工程可行性基础。
1.2 主要技术指标分析
根据多波段共孔径系统的设计需求,制定该系统技术指标如表 1 所示。设计中,高速
摄像机的像元阵列为 1024×10241024×1024,像元尺寸为 14.6 μm×14.6 μm。与各光谱接收
系统衔接的光纤,数值孔径(NANA)为 0.22,纤芯直径为 1500 μm。
表 1 技术指标要求
Tab. 1 Technical specifications
Sequence
number
Technical index
Requirement
1
Working waveband of imaging system/nm
400-760
2
Working waveband of ultraviolet spectrum-receiving system/nm
200-400
3
Working waveband of visible spectrum-receiving system/nm
400-760
4
Working waveband of short-wave infrared spectrum-receiving
system/nm
760-2500
5
Entrance pupil diameter/mm
210
6
Object distance/km
0.5-1.5
7
Object size/m
Φ
0.5
8
Temperature range/℃
−20-50
9
MTF
≥0.35@35
lp/mm
下载: 导出 CSV
| 显示表格
光学系统的成像模块的焦距受探测器的参数限制,综合考虑系统结构长度限制及对目
标放大观察的需求,将成像模块的焦距定为 2 000 mm。根据半像高 y′y′和成像模块焦距 f′f′
可计算出成像模块的半视场角 ω 为:
ω=arctan(y′/f′)=arctan(2–√×1024×14.6×10−32×2000)=0.3028°ω=arctan(y′/f′)=arctan(2×1024×14.6×10−32×2000)=0.3028°
(1)
由光纤的数值孔径 NA=nsinU=0.22 可得,满足光纤耦合的临界孔径角 U=12.7°,其正
切值可表示为入瞳半口径与光谱接收模块焦距 f0′f0′的比值。为满足光纤耦合要求,光谱接
收模块的像方孔径角需小于等于该临界孔径角,故可得:
f0′⩾D/2tan12.7∘ = 105tan12.7∘ = 465.9mmf0′⩾D/D2tan12.7∘2tan12.7∘ = 105tan12.7∘ = 465.9mm
(2)
同时考虑跟踪系统存在 0.3 mrad 的跟踪误差,会导致跟踪图像在光学系统视场范围内
存在一定程度的抖动。光谱接收模块的全像高 2y0′2y0′应小于等于光纤的纤芯直径 1.5
mm,根据物像关系可得:
2y0′=Mf0′L⩽1.5mm2y0′=Mf0′L⩽1.5mm
(3)
式中:LL 为物距;M 为物面图像尺寸。目标在 LL=500 m 处时最容易脱离跟踪系统
的视场,因此光谱耦合系统的视场角可由此确定。Φ0.5 m 的目标在 500 m 处的图像尺寸
(含抖动量)为:
M=2×(0.3×10−3rad×500m+0.25m)=0.8m2×(0.3×10−3rad×500m+0.25m)=0.8m,此时,可
得光谱接收模块的最小视场为
ωs=arctan(M2L)=arctan(0.82×500)=0.0458°ωs=arctan(M2L)=arctan(0.82×500)=0.0458°,
则由公式(3)得:
f0′⩽1.5LM=937.5mmf0′⩽1.5LM=937.5mm
(4)
结合公式(2)、(4)可知,光谱接收模块的焦距范围为 465.9~937.5 mm。设计中,
各光谱接收模块的焦距 f0′f0′均取 650 mm。
2. 系统设计与优化
2.1 同轴两反系统初始结构计算
对于同轴两反系统,系统的孔径光阑位于主镜,已知系统的入瞳直径为 210 mm,可
预设遮拦比 αα 为 0.3。
α = h2h1α = h2h1
(5)
式中:h1h1、h2h2 分别为主镜和次镜的半口径。主、次镜的曲率半径 R1R1、R2R2
及间隔 dd 可由公式(6)~(8)求得
[8-9]
:
R1=2f1′R1=2f1′
(6)
R2=αβ1+βR1R2=αβ1+βR1
(7)
d=f1′(1−α)d=f1′(1−α)
(8)
式中:ββ 为次镜的放大倍率;f1′f1′为主镜的焦距。经典卡塞格林系统仅能消除球
差,主镜为抛物面,则主镜的偏心率 e21e12=1。根据初级像差理论,可以推导出
[10]
:
S1=[α(β−1)2(β+1)4−α(β+1)34e22]−β34(1−e21)S1=[α(β−1)2(β+1)4−α(β+1)34e22]−β34(1−e12)
(9)
式中: e22e22 为次镜的偏心率;S1S1 代表球差系数。当球差为 0 时,且主镜的偏心
率 e21e12=1,则次镜的偏心率可表示为:
e22=(β−1)2(β+1)2e22=(β−1)2(β+1)2
(10)
次镜的偏心率 e22e22 受其放大倍率 ββ 的影响较大,e22e22 越小,次镜越容易加工,
但此时次镜的公差会越严格
[11]
,综合权衡后 ββ 取−5.0,主镜的顶点半径 R1R1 初始取值为
−750,代入公式(6)、(7)、(8)、(10)可得 f1′f1′、R2R2、dd、e22e22 分别为
−375、−281.25、−262.5、2.25,求得的前端卡式望远镜初始结构如图 2 所示。
图 2 卡塞格林望远镜初始结构
Fig. 2 Initial structure of Cassegrain Telescope
下载: 全尺寸图片 幻灯片
2.2 分光布局设计
光束经前端的同轴两反系统反射后,进入多路分光系统。针对波段范围为 200~2500
nm,采用三块分光平板进行分光。分光元件常用的有分光平板和分光棱镜,系统中的分光
元件未采用分光棱镜,主要原因在于分光膜设计难度极大,且胶合面对紫外、红外波段吸
收较为严重,基本上不具有工程可行性。相对而言,分光平板的采用缓解了分光膜设计难
度,且无需胶合,但另一方面分光平板会导致光轴偏移以及产生像散,这也为成像系统的
设计带来了新的难度。分光平板布局图如图 3 所示。
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