第１８卷第３期 光学精密工程 Ｖ０１．１８ Ｎｏ．３ ２０１０年３月 Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｍａｒ．２０１０ 文章编号１００４—９２４Ｘ（２０１０）０３—０５７９—０７ 谐衍射中、长波红外超光谱成像系统设计 刘 英 ，王学进。，潘玉龙。，徐长明。，孙 强 ，卢振武 ，曲 锋 （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，吉林长春１３００３３； ２．中国科学院研究生院，北京１０００４９；３．第二炮兵工程设计研究院，北京１０００１１） 摘要：为了充分利用中波红外和长波红外的光谱信息，建立了谐衍射中、长波红外超光谱成像系统。利用谐衍射元件独 特的色散特性，将谐衍射透镜应用于中、长波红外超光谱成像系统中，使系统在中波红外３．７～４．８ ｍ和长波红外８．５ ～１２“ｍ的２个谐振波段内获取二百多个不同波长的图像信息。设计结果显示，在中波红外波段１８ ｌｐ／ｍｍ处，光学调 制传递函数＞Ｏ．５２；长波红外波段１３ ｌｐ／ｍｍ处，光学凋制传递函数＞Ｏ．５１；光学系统的点斑均方根直径在中波红外波 段小于２７ ｍ，在长波红外波段小于３４ ｎｌ。得到的结果表明，光学调制传递函数在各个波长处均接近衍射极限，点斑的 均方根直径完全可以与国内现有探测器的像元尺寸匹配。 关键词：红外成像；超光谱成像系统；谐衍射透镜 中图分类号：ＴＨ７４４．１；ＴＮ２１９ 文献标识码：Ａ Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｙｐｅｒ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍ ａｇｌｎ ｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｍｅｄｉｕｍ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｉｎｆｒａｒｅｄｓ ＬＩＵ Ｙｉｎｇ ，ＷＡＮＧ Ｘｕｅ—ｊ ｉｎ。，ＰＡＮ Ｙｕ—ｌｏｎｇ。， ＸＵ Ｃｈａｎｇ—ｍｉｎｇ。，ＳＵＮ Ｑｉａｎｇ ，ＬＵ Ｚｈｅｎ－ｗｕ ，ＱＵ Ｆｅｎｇ ， （１．Ｋｅｙ Ｌａｂｏｒａｔｏｒｙ ｏｆ Ａｐｐｌｉｅｄ Ｏｐｔｉｃｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ， Ｆｉｎｅ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ ａｎｄ Ｐｈｙｓｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｃｈａｎｇｃｈｕｎ １ ３００３３，Ｃｈｉｎａ； ２．Ｇｒａｄｕａｔｅ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００４９，Ｃｈｉｎａ； ３．Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｄｅｓｉｇｎ￣Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ ｔｈｅ Ｓｅｃｏｎｄ Ａｒｔｉｌｌｅｒｙ，Ｂｅｉｊｉｎｇ １０００１１，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｂｙ ｍａｋｉｎｇ ｔｈｅ ｂｅｓｔ ｏｆ ｔｈｅ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｎｆｏｒｍａｔｉｏｎ ｏｆ ｍｅｄｉｕｍ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｉｎｆｒａｒｅｄｓ，ａ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ／ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｍｉｄｄｌｅ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｉｎｆｒａｒｅｄｓ ｉｓ ｅｓｔａｂｌｉｓｈｅｄ，ｔｈｅ ｈｙｐｅｒ—ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍ— ａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｈａｓ ｏｂｔａｉｎｅｄ ｍｏｒｅ ｔｈａｎ ２００ ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｅｓ ｉｎ ｍｅｄｉｕｍ—ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｂａｎｄ ｏｆ ３．７～４．８ “ｍ ａｎｄ ｌｏｎｇ—ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｂａｎｄ ｏｆ ８．５～１ ２／．ｔｍ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｓｐｅｃｉａｌ ｌａｒｇｅ ｄｉｓｐｅｒｓｉｏｎ ｃａｐａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｈａｒ— ｍｏｎｉｃ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｅｌｅｍｅｎｔｓ．Ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｉＳ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ０．５２ ａｔ １８ ｌｐ／ｍｍ ｉｎ ｍｅｄｉｕｍ—ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｂａｎｄ；ａｎｄ ｇｒｅａｔｅｒ ｔｈａｎ ０．５１ ａｔ １３ Ｉｐ／ｍｍ ｉｎ ｌｏｎｇ—ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｂａｎｄ．Ｆｕｒｔｈｅｒｍｏｒｅ，ｔｈｅ ＲＭＳ ｓｐｏｔ ｄｉａｍｅｔｅｒ ｉＳ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ２７“ｍ ｉｎ ｍｅｄｉｕｍ—ｗａｖｅ ｉｎ— ｆｒａｒｅｄ ｂａｎｄ ａｎｄ ｉＳ ｌｅｓｓ ｔｈａｎ ３４“ｍ ｉｎ ｌｏｎｇ—ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｂａｎｄ．Ｏｂｔａｉｎｅｄ ｄａｔａ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ａｔ ａｌｌ ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈｓ ａｒｅ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔ：ａｎｄ ｔｈｅ ＲＭＳ ｄｉａｍｅ一 收稿１５１期：２００９—０３—０２；修订日期：２００９—０４—３０． 基金项目：国家８６３高技术研究发展计划资助项目（Ｎｏ．２００７ＡＡ１２Ｚ１１０）；国家自然科学基金资助项目（Ｎｏ． ６０５０７００３）；吉林省科技发展计划杰出青年资助项目 ５８Ｏ 光学精密工程 第１８卷 ｔｅｒ ｏｆ ｐｏｉｎｔｓ ｃａｎ ｍａｔｃｈ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｐｉｘｅｌ ｓｉｚｅ ｏｆ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｄｅｔｅｃｔｏｒｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ；ｈｙｐｅｒ—ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ；ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｌｅｎｓ 学系统的结构。基于谐衍射透镜的中、长波红外 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 超光谱系统在３．７，４．２５，４．８，８．５，１０，１２ ｂｔｍ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。 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，欧美等国先后投人了大量人力和物 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 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（３～５ ｍ）和长波红外（８～１０ ｍ）波段的 双波段超光谱成像仪『５ ］。目前，国内现有的制冷 型中波红外探测器的工作波段为３．７～４．８ ｍ， 像元尺寸为３０／ｚｍ；非制冷型长波红外探测器的 工作波段为８．５～１２ ｍ，像元尺寸为３８ ｍ。 本文利用谐衍射元件（ＨＤＥ）的特性，将中波 红外（３．７～４．８ ｍ）、长波红外（８．５～１２ ｍ）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 。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 ２ 确定相位因子Ｐ和设计波长 。 一 ＂ｌ －７ ２０ ￣辫兰一 三 ，Ｊ ’＞ｊ］ ，ｃ ｕ ＝ｓｉｎ ｃ ｛ ［ ］户一ｍ），（２） 图１不同户值时，衍射效率覆盖的带宽情况（户一ｍ） Ｆｉｇ．１ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｓ ｂａｎｄｗｉｄｔｈ ｓｉｔｕａｔｉｏｎ （ —ｒｎ）ａｔ ｄｉｆｆｅｒｅｎｔ Ｐ （１）当Ｐ一２、 ｏ一１０．５ ｍ时，为了充分应用 中波红外（３．７～４．８ ｍ），取谐振波长为４．２ ｍ， 则由式（３）可得，对应的谐振级次为 一似。 一 ５。根据谐衍射透镜的衍射效率公式，借助Ｍａｔ— 第３期 刘英，等：谐衍射中、长波红外超光谱成像系统设计 ５８１ ０ＩＩＱＩ。晤 Ｉ１０一 ．毛Ⅱｌ口 ｌａｂ软件，可得此时系统的衍射效率曲线图，如图 ２。 『ｕｍ 图２ ｐ＝２， ｏ一１０ ｍ时，衍射透镜的衍射效率曲线图 Ｆｉｇ．２ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ＨＤＥ ａｔ声一２， ｏ＝１０ ／Ｌｍ 由图２可以看出，当Ｐ＝＾。ＩＩＱ一０疆 ｌ＝＝２、Ａ。一１０ ｍ时，在 １０ 譬毫ｌａ 中波红外（３．７～４．８ ｍ），只有很窄的带宽内的 衍射效率＞８０ ，在图中用点划线表示，因此这种 方案是不能满足成像光学系统对衍射效率要求 的。 （２）当Ｐ—ｌ、 。＝＝＝８．５ ｍ时，为了充分应用 中波红外（３．７～４．８ ｍ），取谐振波长为４．２５ ｍ，则由式（３）可得对应的谐振级次为ｍ一纵。 一２。根据谐衍射透镜的衍射效率公式（２），借助 Ｍａｔｌａｂ软件，可得此时系统的衍射效率曲线图， 如图３。 由图３可以看出，当户一１、 。一８．５ ｍ时，在 中波红外（３．７～４．８ ｍ），衍射级次为 一２时， 带宽内所有波长的衍射效率均大于８Ｏ ９，６，在图中 用点划线表示；而且在长波红外（８．５～１２ ｍ）， 所有波长的衍射效率都＞７５ 。因此，这种方案 是完全能够满足成像光学系统对衍射效率的要 求。 ３ 确定光学系统的结构模式 考虑制冷型探测器具有响应速度快，探测效 率高等一系列优点，结合国内探测器的现状，确定 中波红外（３．７～４．８ ｍ）用制冷型焦平面阵列探 测器，长波红外（８．５～１２ ｍ）用非制冷型焦平面 阵列探测器。中波红外的光学系统如图４（ａ），长 波红外的光学系统如图４（ｂ）。 图３ 一１，Ａ。＝８．５ ｍ时，衍射透镜的衍射效率曲线图 Ｆｉｇ．３ Ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ｏｆ ＨＤＥ ａｔ Ｐ一１， ０— ８．５ ｐｔｍ 为了使光学系统的孔径光阑跟制冷型探测器 的冷光阑匹配，本文将光学系统的孔径光阑放置 在制冷型探测器的附近，为了使冷光阑不至于引 进边缘视场的渐晕，设计通过孔径光阑最边缘的 光束宽度略小于冷光阑的尺寸。在光学系统中， （ａ）中波红外波段的光学系统 （ａ）Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｍｅｄｉｕｍ－ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ 谐衍射面 Ｉ—．——一—，！＝：． ‘ｊ ： ——一● ＝＝＝；— ｌ／，／＇｜ ．＿一 （ｂ）长波红外波段的光学系统 （ｂ）Ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ｌｏｏｇ－ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｂａｎｄ 图４ 中波红外、长波红外成像方式对比 Ｆｉｇ．４ Ｃｏｎｔｒａｓｔ ｏｆ ｉｍａｇｉｎｇ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍｓ ｉｎ ｍｅｄｉ— ｕｍ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄｓ ｒｅｓｐｅｃｔｉｖｅｌｙ ４． 图 给出光学系统分剐仕 ６ 统分别在中波红外３．７，（ａ）３．７ ｍ时系统的ＭＴＦ （ａ）ＭＴＦ ａｔ ３・７ ｍ 第１８卷 （ｄ）ＭＴＦ ａｔ ８．５ ｍ （ｅ）１Ｏ ｍ时系统的ＭＴＦ （ｅ）ＭＴＦ ａｔ １０ ｍ 第３期 刘英，等：谐衍射中、长波红外超光谱成像系统设计 （ｆ）１２ ｂｔｍ时系统的ＭＴＦ （ｆ）ＭＴＦ ａｔ １２ ｌｕｍ 图６光学系统在中波、长波红外各个波长处的ＭＴＦ Ｆｉｇ．６ ＭＴＦ ａｔ ｍｅｄｉｕｍ ａｎｄ ｌｏｎｇ ｗａｖｅ ｉｎｆｒａｒｅｄｓ ４．２５，４．８ ｂｔｍ和长波红外８．５，１０，１２ ｍ的调制 传递函数曲线图，分别对应图中（ａ）、（ｂ）、（ｃ）和 （ｄ）、（ｅ）、（ｆ）。对于中波红外选用探测器的像元 尺寸ａ 一３０／Ｌｍ，对应的乃奎斯特频率约为Ｎ 一 ｌ／２ａｌ≈１７ ｌｐ／ｍｍ，由图（ａ）、（ｂ）、（ｃ）可知，中波 红外各个波长在１８ ｌｐ／ｍｍ处，ＭＴＦ￣０．５２；对于 长波红外选用探测器的像元尺寸ａ。一３８ ｂｔｍ，对 应的乃奎斯特频率约为Ｎ。一１／２ａ。≈１３ ｌｐ／ｍｍ， 由图（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）可知，长波红外各个波长在 １３ ｌｐ／ｍｒｎ处，ＭＴＦ＞０．５１。因此，该光学系统的 设计完全能够满足光学系统成像要求。 ４．２光学系统的点列图 图７为光学系统分别在中波红外３．７，４．２５， ４．８／ｚｍ和长波红外８．５，１０，１２ ｂｔｍ的点列图，分 别对应图中（ａ）、（ｂ）、（ｃ）和（ｄ）、（ｅ）、（ｆ）。从图中 可以看出，中波红外最大点斑均方根直径为２６．４ ／Ｌｒｎ，小于中波红外探测器的像元尺寸３０ ｍ；长 波红外最大点斑均方根直径为３３．６ｂｔｍ，小于长 （ａ）３．７ ｍ时系统的点列图 （ａ）Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ ａｔ ３．７ ｕｍ （ｂ）４．２５ ｍ时系统的点列图 （ｂ）Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ ａｔ １２ ｂｔｍ （ｃ）４．８／Ｌｍ时系统的点列图 （ｃ）Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ ａｔ ４．８“ｍ （ｄ）８．５“ｍ时系统的点列图 （ｄ）Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ ａｔ ８．５“ｍ （ｅ）１０ ｂｔｍ时系统的点列图 （ｅ）Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ ａｔ １０“ｍ ５８４ 光学精密工程 第１８卷 （ｆ）１２／ｚｍ时系统的点列图 （ｆ）Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍ ａｔ １２ ｔｔｍ 图７光学系统的点列图 Ｆｉｇ．７ Ｓｐｏｔ ｄｉａｇｒａｍｓ 波红外探测器的像元尺寸３８ ｔｔｍ。因此，光谱仪 系统各个波长处的点斑均方根直径能与目前国内 现有探测器的像元尺寸相匹配。 参考文献： ［１３ ＤＵＢＲＥＵＩＬＬ Ｄ，ＢＡＵＤＲＡＮＤ Ｕ，ＡＢＥＲＧＥＬ Ａ，ｅｔ ａ１．．Ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｆｏｒ ｔｈｅ ５－２８，ｕｍ ＮＧＳＴ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｅｒ ｏｆ ＭＩＲＩ［Ｊ］．ＳＰＩＥ，２００３，４８５０：５６４￣５７３． Ｅ２３ ＰＡＭＥＬＡ Ｓ Ｄ，ＭＡＴＴＥＷ Ｒ Ｂ．Ｆｏｃｕｓ ｄｅｔｅｒｍｉｎａ— ｔｉｏｎ ｆｏｒ ｔｈｅ Ｊａｍｅｓ Ｗｅｂｂ Ｔｅｌｅｓｃｏｐｅ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ：ａ ｓｕｒｖｅｙ ｏｆ ｍｅｔｈｏｄｓ ＥＪ］．ＳＰＩＥ，２００３，２６５：６２６５１２ （１）一６２６５１２（１１）． ［３］ＤＯＮＡＬＤ Ｗ Ｓ，ＧＡＲＹ Ｅ Ｓ．Ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓｅｓ［Ｊ］．ＡｐｐｌＯｐｔ，１９９５，３４：２４６９—２４７５． ［４］ ＦＡＫＬＩＳ Ｄ，ＭＯＲＲＩＳ Ｇ．Ｓｐｅｃｔｒａｌ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ ｍｕｌｔｉｏｒｄｅｒ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓｅｓ［Ｊ］．Ａｐｐ１．Ｏｐｔ．， １９９５，３４：２４６２－２４６８． ［５］ ＭＩＣＨＥＬＥ Ｈ，ＮＥＥＬＡＭ Ｇ，ＡＭＯＬＤ Ｇ．Ｄｕａｌ ｂａｎｄ（ＭＷｌＲ／ＬＷＩＲ）ｉｎｆｒａｒｅｄ ｈｙｐｅｒ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａ— ｇｅｒＦＪ］．ＩＥＥＥ，２００３，１１０３（５）：２４５２—２４５８． ［６３ ＤＡＬＥ Ｊ，ＳＮＩＴＨ Ｄ，ＮＥＥＩ ＡＭ Ｇ．Ｄａｔａ ｃｏｌｌｅｃｔｉｏｎ ｗｉｔｈ ａ ｄｕａｌ—ｂａｎｄ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｈｙｐｅｒ－ｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｍａｇｅｒ［Ｊ］． ＳＰＪＥ，２００５，５８８１：５８８１Ｏ６—１—５８８１Ｏ６—１１． ［７３孙强，卢振武，王肇圻．谐衍射／折射双波段系统设 计［Ｊ］．光学学报，２００４，２４（６）：７５６—７５９． ＳＵＮ Ｑ，ＬＵ ＺＨ Ｗ，ＷＡＮＧ ＺＨ Ｑ．Ｔｈｅ ｄｕａｌ ｂａｎｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ－ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃｓ ｓｙｓ— ｔｅｍＥＪ］．Ａｃｔａ Ｏｐｔｉｃａ Ｓｉｎｉｃａ，２００４，２４（６）：７５６—７５９． ５ 结 论 本文利用谐衍射元件特殊的色散特性和谐 振条件，将中波红外和长波红外两个“大气窗口” 同时应用到了超光谱成像系统中。文中探讨了谐 衍射元件最佳相位因子的确定方法，阐述了基于 谐衍射元件红外双波段超光谱成像的基本原理， 并分析了该超光谱系统成像性能。通过对光学系 统最佳优化设计后，在中波红外波段１８ ｐｌ／ｍｍ 处，光学调制传递函数＞０．５２；在长波红外波段 １３ ｐｌ／ｍｍ处，光学调制传递函数＞０．５１；成像质 量接近衍射极限。而且，光学系统的点斑均方根 直径在中波红外波段小于２７ Ｆｍ，在长波红外波 段小于３４ ｍ，能与国内现有探测器的像元尺寸 很好匹配。因此，本文设计的成像光谱仪系统实 现了轻小，简洁，信息量大，方便使用的设计要求。 ［８］孙强，王肇圻，刘宏波，等．应用于双色探测器的谐 衍射／折射光学系统［Ｊ］．红外与激光工程，２００３，３２ （３）：３１７－３２１． ＳＵＮ Ｑ，ＷＡＮＧ ＺＨ Ｑ，ＬＩＵ Ｈ Ｂ，ｅｔ ａ１．．０ｐｔｉｅａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ／ｒｅｆｒａｃｔｉｖｅ ｆｏｒ ｉｎｆｒａ— ｒｅｄ ｄｕａ１一ｃｏｌｏｒ ｄｅｔｅｃｔｏｒ［Ｊ］．Ｉｎｆｒａｒｅｄ ａｎｄ Ｌａｓｅｒ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，２００３，３２（３）：３１７—３２１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［９３杨新军，王肇圻，母国光．折／衍混合多光谱红外成 像光谱仪离轴系统设计［Ｊ］．光学精密工程，２００５， ３４（４）：３７９－３８３． ＹＡＮＧ Ｘ Ｊ，ＷＡＮＧ ＺＨ Ｑ，ＭＵ Ｇ Ｇ．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｈｙ— ｂｒｉｄ ｒｅｆｆｒａｃｔｉｖｅ／ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｏｆｆ－ａｘｉａｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ ｍｕｌｔｉｓｐｅｃｔｒａｌ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｅｒ［Ｊ］． Ｏｐｔ．ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇ．，２００５，３４（４）：３７９—３８３．（ｉｎ Ｃｈｉ— ｎｅｓｅ） １－１０］董科研，潘玉龙，王学进，等．谐衍射红外双波段双 焦光学系统设计［Ｊ］．光学精密工程，２００８，１６（５）： ７６４—７７０． ＤＯＮＧ Ｋ Ｙ，ＰＡＮ Ｙ Ｌ，ＷＡＮＧ Ｘ Ｊ，ｅｔａ１．．０ｐｔｉ— ｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ＨＤＥ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｕａｌ－‘ｂａｎｄ ｓｔｅｐ’ ｚｏｏｍ ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．Ｏｐｔ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇ．，２００８，１６（５）： ７６４—７７０．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） ［１１］刘英，潘玉龙，王学进，等．谐衍射／折射太赫兹多 波段成像系统设计［Ｊ］．光学精密工程，２００８，１６ （１１）：２０６５－２０７１． 第３期 刘英，等：谐衍射中、长波红外超光谱成像系统设计 ５８５ ＬＩＵ Ｙ，ＰＡＮ Ｙ Ｌ，ＷＡＮＧ Ｘ Ｊ， ａ１．．Ｄｅｓｉｇｎ ｏｎ ｉｍａｇｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｅｌｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｅｒａｈｅｒｔｚ ｍｕｌｔｉ—ｂａｎｄ［Ｊ］．ｏｐｔ．Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｅｎｇ．， ２００８，１６（１１）：２０６５—２０７１．（ｉｎ Ｃｈｉｎｅｓｅ） 作者简介： 霸 ＿ 孙强（１９７１一），男，研究员，博士生 刘英（１９８０一），女，山东滨州人，博士 导师，２００３年于南开大学获得博士学 位，２００６年于中科院长春光学精密机 研究生，２００５年于山东师范大学获得 学士学位，主要从事红外光学方面的研 械与物理研究所博士后出站，主要从事 究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｉｕｙ６１３＠１６３．ｅｏｍ 现代红外光学仪器方面的研究。Ｅ＿ ｍａｉｌ：ｓｕｎｑ＠ｃｉｏｍｐ．ａｎ．ｅｎ 曲锋（１９８４一），男，山东泰安人，博士 研究生，２００６年于长春理工大学获得 学士学位，主要从事红外图像处理方面 卢振武（１９５５一），男，吉林人，研究员， 的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｑｕ８８８＠ｙａｈｏｏ．ｃｏｒｎ． 博士生导师，１９８２年于东北师范大学 Ｃｎ 一 获得学士学位，１９８５年于中科院长春 光学精密机械与物理研究所获得硕士 学位，主要从事波动光学、太阳能应用、 新型光学系统及其在空间的应用等方 面的研究。Ｅ－ｍａｉｌ：ｌｕｚｗ＠ｃｉｏｍｐ．ａｎ． Ｃｎ ●下期预告 折／衍混合消热差共形光学系统设计 孙金霞 ，刘建卓 。，孙 强 ，方伟 （１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所光电研发中心，吉林长春１３００３３； ２．中国科学院研究生院，北京１０００４９） 为了满足共形整流罩光学系统无热化的工作要求，设计了采用折／衍混合消热差方法的共形光学系 统。在简要介绍共形光学系统像差特性以及衍射光学元件的像差、温度及色散特性的基础上，提出了充 分利用制作于整流罩内壁用于消像散的衍射面结构的温度补偿能力的共形光学系统消热差结构设计方 案，并设计了一个应用于中波红外成像结构中的万向支架式共形光学系统。软件分析结果表明，该系统 在一４Ｏ～７０℃能较好地保证±２０。搜索观察视场中的成像质量，且所有观察视场中的ＭＴＦ值均大于 ０．４３。