一种大视场、小F数的超高分辨率紫外光谱成像仪

摘要

一种大视场、小F数的超高分辨率紫外光谱成像仪属于成像技术领域，其依次设置第一弯月透镜、第二弯月透镜、第一双凹透镜、孔径光阑、第一双凸透镜、第二双凸透镜、双凹透镜、第三双凸透镜和第三弯月透镜；所有透镜同光轴放置，第一弯月透镜，第二弯月透镜和第一双凹透镜组成前置镜组，实现一次成像，会聚面位于孔径光阑上；第一双凸透镜，第二双凸透镜，第二双凹透镜，第三双凸透镜和第三弯月透镜组成后镜组，对孔径光阑会聚光线面进行二次成像，成像位于像面上。本发明组成元件简单易加工制造，系统体积小，公差好，易于装配，成像质量优越，在奈奎斯特频率为100lp/mm的情况下全视场全波段调制传递函数值优于0.48，成像畸变低于0.5％。

说明书

技术领域

本发明属于紫外光谱成像技术领域，是一种在一定紫外带宽下具有超高空间分辨率的大视场、小F数的光谱成像仪光学系统。

背景技术

高空间分辨率紫外光谱成像仪器在紫外告警技术和紫外大气观测等多个研究领域具有重要的作用。小型高分辨率紫外光谱成像仪器能够以低虚警率和高空间覆盖范围等优点完成对导弹威胁的快速、准确定位，可以帮助提高对近距离短程精确导弹的预警能力；大气中的臭氧等气体会强烈吸收200nm～300nm之间的紫外光，通过在空间载荷上的搭载，该类仪器可以很好的对大气成分进行分析遥感。但是现有的紫外光谱仪仍然存在以下几个问题：

1、透射光学材料在紫外波段色散大，可选范围小，阿贝数相近，设计系统色差不易消除；

2、能量传输和信噪比要求高，因此系统F数小；同时要求覆盖视场大，从而导致轴上点像差与轴外点像差影响大，成像质量不易提高；

3、受探测器与F数限制，系统焦距较小，高空间分辨率实现困难。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供了一种大视场、小F数的超高分辨率紫外光谱成像仪，该光谱仪在大视场的范围内可以确保目标景物的大范围覆盖，保证了观测信息的不遗漏，而系统的小F数则可以确保系统传输的能量和高信噪比。

本发明解决技术问题所采用的技术方案如下：

一种大视场、小F数的超高分辨率紫外光谱成像仪，该成像仪依次设置第一弯月透镜1、第二弯月透镜2、第一双凹透镜3、孔径光阑4、第一双凸透镜5、第二双凸透镜6、双凹透镜7、第三双凸透镜8和第三弯月透镜9；所有透镜同光轴放置，第一弯月透镜1，第二弯月透镜2和第一双凹透镜3组成前置镜组，对外界景物实现一次成像会聚，会聚面位于孔径光阑上；第一双凸透镜5，第二双凸透镜6，第二双凹透镜7，第三双凸透镜8和第三弯月透镜9组成后镜组，对孔径光阑会聚光线面进行二次成像，色散光谱成像位于像面上。

本发明的有益效果是：本发明组成元件简单易加工制造，系统体积小，系统公差好，易于装配，成像质量优越，可在奈奎斯特频率为100lp/mm的情况下全视场全波段调制传递函数值优于0.48，成像畸变低于0.5％。

附图说明

图1本发明一种大视场、小F数的超高分辨率紫外光谱成像仪的结构图；

图2本发明一种大视场、小F数的超高分辨率紫外光谱成像仪全视场全波段下的MTF图；

图3本发明一种大视场、小F数的超高分辨率紫外光谱成像仪场曲和畸变图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步详细说明。

本发明属于光谱成像技术领域，是一种可以在一定紫外带宽下获取大范围景物紫外高精细分辨率图像的成像光谱学系统结构。该结构中的组成部分包括：第一弯月透镜1，第二弯月透镜2，第一双凹透镜3，孔径光阑4，第一双凸透镜5，第二双凸透镜6，第二双凹透镜7，第三双凸透镜8，第三弯月透镜9和像面10。第一弯月透镜1，第二弯月透镜2第一和双凹透镜3组成前置镜组，对外界景物实现一次成像会聚，会聚面位于孔径光阑上；第一双凸透镜5，第二双凸透镜6，第二双凹透镜7，第二双凸透镜8和第三弯月透镜9组成后镜组，对孔径光阑会聚光线面进行二次成像，所得光谱成像位于像面10上。

本发明通过对成像像差理论的研究和系统光焦度分配的分析完成对系统中各个组成元件的设计。

在系统选型上，反射式系统和折反式系统难以达到所要求的视场角覆盖，且反射镜不易加工，成本较高，因此系统构型选择了透射式系统。可用的紫外CCD像元数为1024×1024，像素大小为25.6微米，在视场为40°的需求下，计算得到系统所需的焦距为36mm，保留一定余量取38mm；保证系统的外形尺寸较小和重量较小的情况下，入瞳直径不大于12mm，因此系统F数选定为3.5。

在紫外波段应用时，紫外光谱成像透射系统的可选材料较少，在有高能量传输和高信噪比性能的要求下，就更加限制了紫外透镜材料的选用，普通冕牌玻璃和火石玻璃在紫外透过率均很低，考虑到材料的理化性能和加工性能，可选材料就只有3～5种。为了实现系统的光焦度的分配，需要正透镜用阿贝数高的材料，负透镜用阿贝数低的材料，从工程易用性和材料的易应用性考虑，最终选择了熔石英和氟化钙两种材料。

发明采用的基础系统是双高斯透镜系统，原双高斯透镜系统由前置透镜组和后置透镜组组成，两组透镜组各自分别由三片球面透镜组成，前置透镜组具有负光焦度，后置透镜组具有正光焦度。发明主要通过对两个透镜组进行材料更改、曲率半径变化和镜片数量的增加重新分配了系统的光焦度，修正了系统的高阶像差量和色差，实现了像质的最优化。

由图1所示，设计首先从前置透镜组的改进开始，为了满足40°视场的要求，将第一弯月透镜1的曲率半径加大。在紫外波段，透镜材料通常不使用胶合方法，尤其在具有高性能指标设计要求的系统中，紫外光学胶会影响系统的设计指标，因此需要将前置镜组中的后两片胶合镜拆开；可选紫外材料为熔石英和氟化钙，两种材料的阿贝数比较相近，因此为了保证在孔径光阑处的一次成像，这两片透镜需要拉开一定的距离；同时，氟化钙具有卤化物的易潮解和易受污染的特性，因此第一弯月透镜1不能使用氟化钙，这里将第一弯月透镜1材料选为熔石英，第二弯月透镜2材料为氟化钙，第一双凹透镜3材料为熔石英，这种材料选择有利于像差高级量的校正。

双高斯透镜系统的后置镜组是典型的三片式，为了消除影响像质的主要像差包括场曲、球差和倍率色差等，需要增加镜片来对光焦度进行重新分配。由于离光阑远端加入镜片变换玻璃对倍率色差的校正较为敏感，我们考虑在贴近光阑处增加镜片，由于前端镜组的最后一片第一双凹透镜3选择了熔石英，因此增加的第一双凸透镜5材料选用了氟化钙以满足前后透镜间的正负关系；为了进一步校正像差高级量，通常需要增大前后组的间隔来减小后组的偏角，发明中为了减小拉大间隔带来的体积增加，可在后置镜组增加的第一双凸透镜5后再增加第二双凸透镜6，材料同样选择氟化钙，这样就减小了系统的高级像差量，保证了球差的进一步校正。后置透镜组中第二双凹透镜7材料为熔石英，第三双凸透镜8材料为氟化钙，最后一片第三弯月透镜9在原双高斯透镜系统上进行了形式的改进，改变了其透射面的曲率半径方向，材料选择为熔石英。

图2给出了设计系统的全视场全波段调制传递函数值图。该函数值全面的反映了系统的设计评价结果。图中选择了10°半视场、14°半视场和20°半视场来进行追迹。其中实线代表子午方向调制传递函数值，虚线代表弧矢方向传递函数值。可以看到，随着视场的增大，调制传递函数值在逐渐下降。其中边缘视场即20°半视场在100lp/mm的奈奎斯特频率(即图中的空间频率周/mm)下优于0.48，设计系统在全视场全波段均实现了非常好的成像质量。

图3给出了设计系统的场曲和畸变图，图中选择了中心波长和两个边缘波长进行分析。虚线代表场曲的子午方向，实线代表场曲的弧矢方向。在场曲显示中，产生最大场曲的波长是边缘波长280nm，离焦量约为0.056mm；而在畸变显示中，系统的最大畸变低于0.5％，这些数值证明系统达到了良好的畸变和场曲设计控制结果。