谐衍射中、长波红外超光谱成像系统设计

　　1　引　言

　　当前,军事侦查要求全天候、高分辨率、大信息量、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。

　　近年来,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[1-3],其中有一些已在实际系统中得到应用,但这些系统存在结构复杂、体积大、能量低等一系列缺点。Lyons[4]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,但是,这种光谱仪只能探测一个波段的信号。1995年Sweeney,Sommargren,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,美国陆军实验室应用制冷型光子探测阵列建立了中波红外(3~5μm)和长波红外(8~10μm)波段的双波段超光谱成像仪[5-6]。目前,国内现有的制冷型中波红外探测器的工作波段为3.7~4.8μm,像元尺寸为30μm;非制冷型长波红外探测器的工作波段为8.5~12μm,像元尺寸为38μm。

　　本文利用谐衍射元件(HDE)的特性,将中波红外(3.7~4.8μm)、长波红外(8.5~12μm)同时应用于超光谱成像系统中,讨论并确定了光学系统的最佳设计波长λ0和谐衍射透镜的相位因子p的取值,并给出了设计公式和具体设计的光学系统的结构。基于谐衍射透镜的中、长波红外超光谱系统在3.7,4.25,4.8,8.5,10,12μm的系统成像质量接近衍射极限,满足超光谱系统的成像要求。而且,该光学系统具有体积小、结构简单、信息量大的优点。

　　2　确定相位因子p和设计波长λ0

　　谐衍射元件的衍射效率公式[7-11]为:

　　式中,λ0为设计波长,p为谐衍射透镜的相位因子,m为衍射级次。

　　谐衍射元件的谐振条件:

　　图1为在设计波长λ0一定、p=m时,根据公式(2)拟合的不同p值的谐衍射元件的衍射效率曲线图。从图中可以看出,随p值的增大,围绕给定级次的衍射效率覆盖的带宽变窄。

　　(1)当p=2、λ0=10.5μm时,为了充分应用中波红外(3.7~4.8μm),取谐振波长为4.2μm,则由式(3)可得,对应的谐振级次为m=pλ0/λ=5。根据谐衍射透镜的衍射效率公式,借助Mat-lab软件,可得此时系统的衍射效率曲线图,如图2。