[发明专利]一种分孔径紫外多波段成像系统和方法

说明书

本发明涉及一种分孔径紫外多波段成像系统和方法，该系统包括紫外多波段前置分孔径光学系统和后置合像光学系统，紫外多波段前置分孔径光学系统包括日盲紫外波段滤光片、可见盲紫外波段滤光片、OH自由基辐射特征波段滤光片和CN自由基辐射特征波段滤光片，光路像面相同；后置合像光学系统包括若干球面透镜和至少一个偶次非球面透镜，其中，合像光路的部分透镜紧贴，将所述分孔径光学系统获得的紫外多波段一次图像同时成像到探测器上的不同区域上。本发明解决加工成本问题、前置分孔径系统和后置合像系统间的光瞳衔接问题；解决现有光学胶强烈吸收短波紫外的问题、采用偶次非球面透镜校正像差。该系统适合加工与装配，具有实用价值。

技术领域

本发明涉及紫外成像领域，尤其是一种分孔径紫外多波段成像系统和方法。

背景技术

火焰燃烧时发出的辐射主要包括黑体辐射和自由基辐射两大类。黑体辐射覆盖紫外到红外波段，而自由基辐射是火焰中自由基非稳态电子跃迁后发出的特定波长的辐射，带宽窄，通常位于紫外和可见光区域。常见的自由基有OH^*基(特征波长为308nm)、CH^*基(特征波长为314nm和431nm)、CN^*基(特征波长为 390nm)、C₂^*基(特征波长为514nm)等。同时获取多个自由基的辐射强度可以推算自由基所占的比例，判断燃烧反应的阶段，进而分析燃料的组分、控制燃烧的进程，这是目前发动机燃烧诊断的研究热点之一。

多波段分孔径成像是实现多波段成像的一种技术路线，其特点是在一个探测器上同时获得多波段的图像，相比多探测器成像和分时滤光成像，具有体积小、成本低、实时性高等优势。分孔径成像光学系统通常由分孔径光路与合像光路两部分组成，有时为增大视场还会增加前置的望远光路，设计难度取决于分孔径的数目、尺寸以及光谱范围和透射率要求。一般来说，为便于在探测器上均匀排布孔径，孔径数目会选择4个或者9个。由于孔径尺寸的限制，分孔径系统一般都是小视场的。增大视场角、提高系统空间分辨率是分孔径成像系统的难点。

目前，可见光和红外波段的分孔径成像光学系统较为多见，Guillem Carle等通过倾斜镜片的方式实现9孔径长波红外成像，各镜片与主光轴夹角各不相同。李芸等通过会聚式单次成像获得了9孔径光谱图像，用边缘孔径更大的9孔径光阑提高边缘像面照度，系统结构紧凑。胡凯丰以单次成像方式设计了9路中波红外分孔径光路，实现了100％冷阑效率，结合超分辨率重构算法，使系统相较于其他分孔径光路具有更大的视场角和分辨率。

紫外波段的分孔径成像系统截至目前尚未见公开报道。常见的紫外透镜材料只有熔融石英和氟化钙两种，紫外光学系统设计时可用的材料少，限制了透镜的折射率与阿贝数类型，系统色差校正困难；紫外透镜材料的成本也相对较高，设计时应尽量使用相同形状的透镜，减少加工成本；常用的光学胶对紫外辐射的吸收高，紫外波段透射率低，这要求设计时减少使用有利于像差校正的胶合透镜形式。

总体来说，设计紫外光学系统时受限因素多，提升像质和校正像差的难度大。面向发动机燃烧诊断的需求，考虑到紫外增强硅基成像器件如紫外CMOS、紫外 CCD和紫外EMCCD的像元规模已经达到数百万甚至千万像素，采用分孔径同时获得高分辨率的多波段紫外图像成为可能。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种分孔径紫外多波段成像系统和方法，本发明开展紫外多波段分孔径光学镜头的设计，提出采用各分孔径光路像面相同解决分孔径系统和合像系统间的光瞳衔接问题、各分孔径光路使用相同形状的透镜解决加工成本问题、系统整体设计为折射式结构以改善分孔径光路视场角较小的问题，并以非球面透镜、透镜紧贴等方式校正系统像差，只使用熔融石英和氟化钙两种材料的单透镜，使得整个系统的MTF在奈奎斯特频率45lp/mm处达到了 0.8，整体像差也较小，成像质量高。

本发明的技术方案具体如下：