时空联合调制成像光谱仪前置成像系统分析与设计

王文丛; 梁静秋; 梁中翥; 吕金光; 秦余欣; 田超; 王维彪

doi:10.7498/aps.63.100701

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摘要

为满足红外成像光谱仪大光通量、高稳定性的应用需求，提出了一种基于多级阶梯微反射镜的静态化、无狭缝式、新型红外时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪结构. 对其工作原理和光程差的产生方式进行了分析. 作为该成像光谱仪的重要部件，前置成像系统决定了光程差的分布，其性能直接影响到目标物体的图像质量. 根据系统光程差的产生方式，分析和设计了像方远心光路结构的前置成像系统. 利用被动光学消热差方法对前置成像系统进行了消热差研究. 结果表明：当温度在-20–60 ℃的范围内时，各个视场的调制传递函数均达到衍射极限，在多级阶梯微反射镜的总阶梯高度范围内成像质量良好；在不同的温度下，各视场处主光线在像面上的最大入射角小于0.02°.

关键词:

作者及机构信息

1.
中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 长春 130033;

2.
中国科学院大学, 北京 100049

基金项目: 国家自然科学基金（批准号：61027010，60977062，61376122）、吉林省科技发展计划（批准号：201205025，20130206010GX）和长春市科技计划（批准号：2011131，2013261）资助的课题.

参考文献

[1]	Edward D, Xiao W X, Alexander P, Min Y S 2011 Appl. Opt. 50 5351
[2]	Macro P, Massimo Z 2009 Opt. Express 17 8391
[3]	Yann F, Jean T, Hervé S, Pierre C, Pierre F, Christophe C, Joël D, Jérôme P 2011 Appl. Opt. 50 5894
[4]	Michael W K, Eustace L D 2012 Opt. Express 20 17973
[5]	Pantazis M, Glenn S R R, Daniel W W, James J S, Robert O G 2007 Opt. Eng. 46 063001
[6]	Ting K M, Chun M Z, Wen Y R, Chen L J 2012 Opt. Lett. 37 3507
[7]	Dong Y, Xiang L B, Zhao B C 2001 Acta Opt. Sin. 21 330 (in Chinese) [董瑛, 相里斌, 赵葆常 2001光学学报 21 330]
[8]	Li Y P, Yu B X, Han C Y, Li Z 2006 Opt. Precis. Eng. 14 974 (in Chinese) [李幼平, 禹秉熙, 韩昌元, 李柱 2006 光学精密工程 14 974]
[9]	Sun Y, Zhang C M, Du J, Zhao B C 2010 Acta Phys. Sin. 59 3863 (in Chinese) [孙尧, 张淳民, 杜鹃, 赵葆常 2010 物理学报 59 3863]
[10]	Wu J F, Zhang C M 2010 Chin. Phys. B 19 034201
[11]	Zhang C M, Ren W Y, Mu T K 2010 Chin. Phys. B 19 024202
[12]	Charles L B, Michael R C, David J F 1995 Proc. SPIE 2552 275
[13]	Ana E, Joshua L, Andrew M 2002 Proc. SPIE 4480 186
[14]	Yan X G, Zhang C M, Zhao B C 2010 Acta Phys. Sin. 59 3123 (in Chinese) [严新革, 张淳民, 赵葆常 2010 物理学报 59 3123]
[15]	Jian X H, Zhang C M, Zhu B H, Ren W Y 2010 Acta Phys. Sin. 59 6131 (in Chinese) [简小华, 张淳民, 祝宝辉, 任文艺 2010 物理学报 59 6131]
[16]	Zhang C M, Huang W J, Zhao B C 2010 Acta Phys. Sin. 59 5479 (in Chinese) [张淳民, 黄伟健, 赵葆常 2010 物理学报 59 5479]
[17]	Yuan Z L, Zhang C M, Zhao B C 2007 Acta Phys. Sin. 56 6413 (in Chinese) [袁志林, 张淳民, 赵葆常 2007 物理学报 56 6413]
[18]	Qu H M, Zhang X, Wang L J, Zhang J Z 2012 Acta Opt. Sin. 32 0322003 (in Chinese) [曲贺盟, 张新, 王灵杰, 张继真 2012 光学学报 32 0322003]
[19]	Chang H 2011 Ph. D. Dissertation (Harbin: Harbin Institute of Technology) (in Chinese) [常虹 2011 博士学位论文 (哈尔滨: 哈尔滨工业大学)]
[20]	Zhang Y M 2008 Applied Optics (Beijing: Publishing House of Electronics Industry) p321 (in Chinese) [张以谟 2008 应用光学 (北京: 电子工业出版社) 第321页]

施引文献

[1]	Edward D, Xiao W X, Alexander P, Min Y S 2011 Appl. Opt. 50 5351
[2]	Macro P, Massimo Z 2009 Opt. Express 17 8391
[3]	Yann F, Jean T, Hervé S, Pierre C, Pierre F, Christophe C, Joël D, Jérôme P 2011 Appl. Opt. 50 5894
[4]	Michael W K, Eustace L D 2012 Opt. Express 20 17973
[5]	Pantazis M, Glenn S R R, Daniel W W, James J S, Robert O G 2007 Opt. Eng. 46 063001
[6]	Ting K M, Chun M Z, Wen Y R, Chen L J 2012 Opt. Lett. 37 3507
[7]	Dong Y, Xiang L B, Zhao B C 2001 Acta Opt. Sin. 21 330 (in Chinese) [董瑛, 相里斌, 赵葆常 2001光学学报 21 330]
[8]	Li Y P, Yu B X, Han C Y, Li Z 2006 Opt. Precis. Eng. 14 974 (in Chinese) [李幼平, 禹秉熙, 韩昌元, 李柱 2006 光学精密工程 14 974]
[9]	Sun Y, Zhang C M, Du J, Zhao B C 2010 Acta Phys. Sin. 59 3863 (in Chinese) [孙尧, 张淳民, 杜鹃, 赵葆常 2010 物理学报 59 3863]
[10]	Wu J F, Zhang C M 2010 Chin. Phys. B 19 034201
[11]	Zhang C M, Ren W Y, Mu T K 2010 Chin. Phys. B 19 024202
[12]	Charles L B, Michael R C, David J F 1995 Proc. SPIE 2552 275
[13]	Ana E, Joshua L, Andrew M 2002 Proc. SPIE 4480 186
[14]	Yan X G, Zhang C M, Zhao B C 2010 Acta Phys. Sin. 59 3123 (in Chinese) [严新革, 张淳民, 赵葆常 2010 物理学报 59 3123]
[15]	Jian X H, Zhang C M, Zhu B H, Ren W Y 2010 Acta Phys. Sin. 59 6131 (in Chinese) [简小华, 张淳民, 祝宝辉, 任文艺 2010 物理学报 59 6131]
[16]	Zhang C M, Huang W J, Zhao B C 2010 Acta Phys. Sin. 59 5479 (in Chinese) [张淳民, 黄伟健, 赵葆常 2010 物理学报 59 5479]
[17]	Yuan Z L, Zhang C M, Zhao B C 2007 Acta Phys. Sin. 56 6413 (in Chinese) [袁志林, 张淳民, 赵葆常 2007 物理学报 56 6413]
[18]	Qu H M, Zhang X, Wang L J, Zhang J Z 2012 Acta Opt. Sin. 32 0322003 (in Chinese) [曲贺盟, 张新, 王灵杰, 张继真 2012 光学学报 32 0322003]
[19]	Chang H 2011 Ph. D. Dissertation (Harbin: Harbin Institute of Technology) (in Chinese) [常虹 2011 博士学位论文 (哈尔滨: 哈尔滨工业大学)]
[20]	Zhang Y M 2008 Applied Optics (Beijing: Publishing House of Electronics Industry) p321 (in Chinese) [张以谟 2008 应用光学 (北京: 电子工业出版社) 第321页]

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时空联合调制成像光谱仪前置成像系统分析与设计

1. 中国科学院长春光学精密机械与物理研究所应用光学国家重点实验室, 长春 130033;

2. 中国科学院大学, 北京 100049

基金项目:

国家自然科学基金（批准号：61027010，60977062，61376122）、吉林省科技发展计划（批准号：201205025，20130206010GX）和长春市科技计划（批准号：2011131，2013261）资助的课题.

收稿日期: 2013-12-18

修回日期: 2014-01-05

刊出日期: 2014-05-05

摘要: 为满足红外成像光谱仪大光通量、高稳定性的应用需求，提出了一种基于多级阶梯微反射镜的静态化、无狭缝式、新型红外时空联合调制型傅里叶变换成像光谱仪结构. 对其工作原理和光程差的产生方式进行了分析. 作为该成像光谱仪的重要部件，前置成像系统决定了光程差的分布，其性能直接影响到目标物体的图像质量. 根据系统光程差的产生方式，分析和设计了像方远心光路结构的前置成像系统. 利用被动光学消热差方法对前置成像系统进行了消热差研究. 结果表明：当温度在-20–60 ℃的范围内时，各个视场的调制传递函数均达到衍射极限，在多级阶梯微反射镜的总阶梯高度范围内成像质量良好；在不同的温度下，各视场处主光线在像面上的最大入射角小于0.02°.

关键词:

Design and analysis for the front imaging optical system of the spatiotemporal mixed modulated Fourier transform imaging spectrometer

1.
State Key Laboratory of Applied Optics, Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences, Changchun 130033, China;

2.
University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

Fund Project:

Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 61027010, 60977062, 61376122), the Science and Technology Development Program of Jilin Province, China (Grant Nos. 201205025, 20130206010GX), and the Science and Technology Program of Changchun, China (Grant Nos. 2011131, 2013261).

Received Date: 18 December 2013

Accepted Date: 05 January 2014

Published Online: 05 May 2014

Abstract: In order to satisfy the application requirements of the large flux and the high stability for the infrared imaging spectrometer, we propose a new type of static no-slit spatiotemporally mixed modulated Fourier transform imaging spectrometer based on the multi-level micro-mirrors. The working process and the generation manner of optical path difference of the system are analyzed. The front imaging system, as an important component of the imaging spectrometer, determines the distribution of the optical path difference, and its performance directly affects the image quality of target object. According to the generation manner of optical path difference of the system, the front imaging system for the telecentric structure in the image space is analyzed and designed. The athermalization design research is carried out by means of the passive optical elimination thermal difference. The result shows that the modulation transfer function curve of each field reaches the diffraction limit in a temperature range of -20-60 ℃. The front imaging optical system has a good imaging quality in the total step height of the multi-step micro-mirrors. At different temperatures, the maximum incident angle on the image surface is less than 0.02° for the principal ray of each field.

Keywords:

Fourier transform imaging spectrometer /
optical system design and analysis /
multi-level micro-mirrors /
medium wave infrared

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