4.1 推扫式红外光纤传像光学系统研究_赵意意

虽然超长线阵 红 外 探 测 器 存 在 技 术 难 题 ，但 是 目 前 面 阵 红 外 探 测 器 如 ２５６×２５６ 元 、３２０×２５６ 元 等 都 有 成熟产品，在红外热像仪等实践中已 得 到 广 泛 运 用 ．与 此同时，随着新型材料和拉丝工艺的 不 断 进 步 ，红 外 光 纤传像束近年也有长足进步 ，在医疗 仪 器、光 谱 成 像 等 方 面 都 有 应 用 ． ［３］
衍 射 极 限 ，满 足 光 纤 传 像 系 统 的 特 殊 要 求 ，可 为 该 类 光 纤 传 像 系 统 的 设 计 提 供 参 考 ．
关 键 词 ：光 学 设 计 ；红 外 成 像 ；光 纤 束 ；物 镜 ；耦 接 镜
中 图 分 类 号 ：Ｏ４３９ 文 献 标 识 码 ：Ａ
（１ 中国科学院西安光学精密机械研究所，西安 ７１０１１９） （２ 中国科学院大学，北京 １０００４９）
摘 要：针对推扫式红外遥感成像技术在高分辨对地观测领域的重要地位，结合我国红外遥感技术发 展 现状和长线阵红外探测器技术水平，研究了利用线面转换的异型红外光纤传像束线阵端实现推扫，面 阵
端与成熟的小面阵红外探测器耦合以获得高分辨红 外 遥 感 图 像 的 光 纤 传 像 系 统．分 析 了 该 红 外 光 纤 传
（１ Ｘｉ′ａｎ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ ａｎｄ Ｐｒｅｃｉｓｉｏｎ Ｍｅｃｈａｎｉｃｓ，Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｘｉ′ａｎ ７１０１１９，Ｃｈｉｎａ） （２ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｃｈｉｎｅｓｅ Ａｃａｄｅｍｙ ｏｆ Ｓｃｉｅｎｃｅｓ，Ｂｅｉｊｉｎｇ１０００４９，Ｃｈｉｎａ）
第 ４Hale Waihona Puke 卷 第 ２ 期光 子 学 报
２０１４年２月 ＡＣＴＡ ＰＨＯＴＯＮＩＣＡ ＳＩＮＩＣＡ
Ｖｏｌ．４３ Ｎｏ．２ Ｆｅｂｒｕａｒｙ ２０１４
ｄｏｉ：１０．３７８８／ｇｚｘｂ２０１４４３０２．０２２２００２
推扫式红外光纤传像光学系统研究
赵 意 意１，２，杨 建 峰１，闫 兴 涛１，２，李 福１，薛 彬１
图 ２ 红 外 光 纤 传 像 系 统 示 意 图 Ｆｉｇ．２ Ｌａｙｏｕｔ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｉｂｅｒ ｉｍａｇｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ
系统的基本工 作 原 理，前 置 物 镜 将 某 一 条 带 刈 幅 地物成像至位于其像方焦平面处的异型光纤传像束入 射端线阵上，异型光纤传 像 束 入 射 端 为 ４ ０００×６ 元 的 线阵，该异型光 纤 传 像 束 利 用 光 纤 的 柔 韧 性 和 空 间 自 由度，通过 光 纤 的 重 新 相 关 排 列，实 现 入 射 端 线 阵 到 １６０×１５０元面阵的 空 间 变 换．光 纤 传 像 束 出 射 端 面 阵 作为后继耦接 镜 光 学 系 统 的 物 面 ，由 后 继 耦 接 镜 进 行 适当缩放成像，使 得 面 阵 排 列 的 光 纤 束 所 发 出 的 光 成 像于制冷型红 外 探 测 器 上 ．最 后 由 后 续 图 像 处 理 部 分 进行适当处理和空间逆变换实现面阵图像到线列图像 的复原，得到推扫光学成像系统焦 平 面 处 刈 幅 图 像 ，再 经多幅连续的时间序列刈幅图像融合实现推扫式成像 的重建．
像系统前置物镜和耦接镜设计中 的 主 要 问 题，并 针 对 一 种 入 射 端 为 ４ ０００×６ 元 线 阵，出 射 端 为 １６０×
１５０元面阵的红外光纤传像束设计了 前 置 物 镜 系 统 和 后 继 耦 接 镜 系 统．引 入 平 均 传 递 函 数 的 方 法 对 整 体光学系统的 ＭＴＦ 进行了模拟评价，模拟结果显示整体光学 系 统 成 像 良 好，两 系 统 的 成 像 性 能 皆 达 到
１ 红外光纤传像系统原理
图１为西安光机所研制的一种特殊排列的红外异 型结构光纤传像束 ．该传 像 束 的 一 端 为 ４ ０００×６ 元 的 线阵，另一端重新 相 关 排 列 为 １６０×１５０ 元 的 面 阵．光 纤的透光波段为３～５μｍ 的 中 波 红 外 波 段．光 纤 数 值 孔 径 为 ０．２，单 丝 光 纤 直 径 ５０μｍ．
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｅ ｐｕｓｈ－ｂｒｏｏｍ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｒｅｍｏｔｅ ｓｅｎｓｉｎｇ ｉｍａｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｐｌａｙｓ ａｎ ｉｍｐｏｒｔａｎｔ ｒｏｌｅ ｉｎ ｔｈｅ ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｅａｒｔｈ ｏｂｓｅｒｖａｔｉｏｎ，ｂｕｔ ｔｈｅ ｉｎｔｅｒｎａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｂａｆｆｌｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｔｅｃｈｎｉｃａｌ ｌｅｖｅｌ ｏｆ ｌｏｎｇ－ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ．Ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｈｉｇｈ－ｒｅｓｏｌｕｔｉｏｎ ｐｕｓｈ－ｂｒｏｏｍ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ，ａ ｍｅｔｈｏｄ ｂｙ ｔｈｅ ｕｓｅ ｏｆ ｌｉｎｅ－ｐｌａｎｅ－ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｉｂｅｒ ｂｕｎｄｌｅ ｗａｓ ｐｒｏｐｏｓｅｄ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｍｅｔｈｏｄ，ｔｈｅ ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｆｉｂｅｒ ｂｕｎｄｌｅ ｗａｓ ｕｓｅｄ ａｓ ａ ｌｏｎｇ－ｌｉｎｅａｒ ａｒｒａｙ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｄｅｔｅｃｔｏｒ ａｎｄ ｔｈｅ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ ｅｎｄ ｏｆ ｔｈｅ ｂｕｎｄｌｅ ｗａｓ ｃｏｕｐｌｅｄ ｂｙ ａ ｍａｔｕｒｅ ｓｍａｌｌ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ ａｒｒａｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｉｎｇｌｅ ｆｉｂｅｒ ｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｉｎｇ ｔｏ ｔｈｅ ｐｉｘｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｆｏｃａｌ ｐｌａｎｅ．Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｐｒｏｂｌｅｍ ｏｆ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓ ａｎｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｌｅｎｓ ｉｎ ｔｈｅ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｉｂｅｒ ｉｍａｇｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｗａｓ ａｎａｌｙｚｅｄ．Ａｎｄ ａ ｓｙｓｔｅｍ ｗｉｔｈ ａｎ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓ ａｎｄ ａｎ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｌｅｎｓ ｗａｓ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｆｏｒ ａ ｋｉｎｄ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｂｕｎｄｌｅ ｗｈｉｃｈ ｈａｓ ４ ０００×６ｐｉｘｅｌｓ ｏｎ ｉｔｓ ｅｎｔｒａｎｃｅ ｅｎｄ ａｎｄ ｈａｓ １６０×１５０ｐｉｘｅｌｓ ｏｎ ｉｔｓ ｅｘｉｔ ｅｎｄ．Ｔｈｅ ｉｍａｇｉｎｇ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓ ａｎｄ ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｌｅｎｓ ｗｅｒｅ ｃｌｏｓｅ ｔｏ ｔｈｅ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｏｎ ｌｉｍｉｔｓ ｗｈｉｌｅ ｍｅｅｔｉｎｇ ｓｐｅｃｉａｌ ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ ｏｆ ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｉｂｅｒ ｉｍａｇｅ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｉｓ ａ ｂｅｔｔｅｒ ｒｅｆｅｒｅｎｃｅ ｆｏｒ ｔｈｉｓ ｋｉｎｄ ｏｆ ｆｉｂｅｒ ｉｍａｇｅ
图 １ 红 外 光 纤 传 像 束 Ｆｉｇ．１ Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｆｉｂｅｒ ｂｕｎｄｌｅ 本文基于该红外异型结构光纤传像束设计了一种 光学系统来实 现 红 外 大 线 阵 推 扫 成 像 ．光 学 系 统 的 基 本结构如图２所示，由前置望远 光 学 系 统、线 面 转 换 异 型光纤传像束、后 继 耦 接 光 学 系 统 和 制 冷 型 面 阵 红 外 探测器组成．
ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ．Ｔｈｅ ｍｅａｎ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｗａｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｆｏｒ ｅｖａｌｕａｔｉｎｇ ｔｈｅ ＭＴＦ ｏｆ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｏｐｔｉｃａｌ ｓｙｓｔｅｍ，ａｎｄ ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ａ ｇｏｏｄ ｉｍａｇｅ ｑｕａｌｉｔｙ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：Ｏｐｔｉｃａｌ ｄｅｓｉｇｎ；Ｉｎｆｒａｒｅｄ ｉｍａｇｉｎｇ；Ｆｉｂｅｒ ｂｕｎｄｌｅ；Ｏｂｊｅｃｔｉｖｅ ｌｅｎｓ；Ｃｏｕｐｌｉｎｇ ｌｅｎｓ ＯＣＩＳ Ｃｏｄｅｓ：２２０．０２２０；１１０．３０８０；０６０．２３５０
０ 引言
红外探测技术 是 信 息 获 取 的 主 要 手 段 之 一 ，红 外
系统的核心是红外探测器 ．实践证 明，红 外 器 件 水 平 的 提高和新一代 器 件 的 出 现 ，就 会 使 红 外 整 机 性 能 大 幅 提升甚至更新换代 ，所以有“一代 器 件、一 代 整 机、一 代
基 金 项 目 ：国 家 高 技 术 研 究 发 展 计 划 （Ｎｏ．２０１０ＡＡ１２２２０３）资 助 第 一 作 者 ：赵 意 意 （１９８８－ ），男 ，博 士 研 究 生 ，主 要 研 究 方 向 为 光 学 系 统 设 计 ．Ｅｍａｉｌ：ｚｙｚｊｌｘ＠ｇｍａｉｌ．ｃｏｍ 导师（通讯作者）：杨建峰（１９６８－），男，研究员，博士，主要研究方向为光学系统设计和光谱成像技术 ．Ｅｍａｉｌ：ｙａｎｇｊｆ＠ｏｐｔ．ａｃ．ｃｎ 收 稿 日 期 ：２０１３－０６－０３；录 用 日 期 ：２０１３－０９－０３ ｈｔｔｐ：∥ｗｗｗ．ｐｈｏｔｏｎ．ａｃ．ｃｎ
０２２２００２－１
光 子 学 报
装 备”之 说［１］．文 献 ［２］通 过 对 航 天 光 学 遥 感 器 的 需 求 分析指出，线阵红外探测器的 像 元 数 需 要 覆 盖 １０２４ 元 ～７２００元的范围．现 阶 段 的 红 外 线 阵 探 测 器 像 元 一 般 在千元以下，无法完成大视场推扫探 测 的 需 求 ．由 于 红 外探测器水平 所 限 ，国 外 空 间 红 外 观 测 卫 星 通 常 采 用 探测器拼接的 方 法 实 现 长 线 阵 ，而 国 内 至 今 尚 无 用 于 空间天文观测及其他空间科学研究用的空间红外观测 卫星．
文 章 编 号 ：１００４－４２１３（２０１４）０２－０２２２００２－５
Ｓｔｕｄｙ ｏｆ Ｐｕｓｈ－ｂｒｏｏｍ Ｉｎｆｒａｒｅｄ Ｆｉｂｅｒ Ｉｍａｇｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ Ｓｙｓｔｅｍ