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分孔径紫外多波段成像光学系统设计

刘尊辈 蔡毅 刘福平 马俊卉 张猛蛟 王岭雪

刘尊辈, 蔡毅, 刘福平, 马俊卉, 张猛蛟, 王岭雪. 分孔径紫外多波段成像光学系统设计[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2021-0052
引用本文: 刘尊辈, 蔡毅, 刘福平, 马俊卉, 张猛蛟, 王岭雪. 分孔径紫外多波段成像光学系统设计[J]. 中国光学. doi: 10.37188/CO.2021-0052
LIU Zun-bei, CAI Yi, LIU Fu-ping, MA Jun-hui, ZHANG Meng-jiao, WANG Ling-xue. Aperture-divided ultraviolet multiband imaging optical system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2021-0052
Citation: LIU Zun-bei, CAI Yi, LIU Fu-ping, MA Jun-hui, ZHANG Meng-jiao, WANG Ling-xue. Aperture-divided ultraviolet multiband imaging optical system[J]. Chinese Optics. doi: 10.37188/CO.2021-0052

分孔径紫外多波段成像光学系统设计

doi: 10.37188/CO.2021-0052
基金项目: 国家自然科学基金资助项目(No. 61471044)
详细信息
    作者简介:

    刘尊辈(1995—),男,浙江温州人,硕士研究生,主要从事紫外探测方面的研究。E-mail:llazzyb@163.com

    王岭雪(1973—),女,云南石屏人,工学博士,副教授,主要从事红外成像、图像处理和红外光谱方面的研究。E-mail:neobull@bit.edu.cn

  • 中图分类号: TN23

Aperture-divided ultraviolet multiband imaging optical system

Funds: Supported by National Natural Science Foundation of China (No. 61471044)
More Information
  • 摘要: 为获得火焰燃烧过程中的黑体辐射与特征自由基发出的紫外辐射信息,实现对火焰温度与燃料成分的定量分析,本文设计了分孔径紫外多波段成像系统。该系统由前置分孔径光路与后置合像光路两部分组成,选择熔融石英和氟化钙为透镜材料。通过在各个分孔径光路内放置滤光片的方式,将目标在240?280 nm、308 nm、300?360 nm、390 nm四个不同波段的紫外辐射同时成像到紫外探测器的四个区域上。该系统的F数为2.85,视场角为10°,总长为277.2 mm。分孔径光路的入瞳直径为10 mm,单通道焦距为43.88 mm,调制传递函数(MTF)接近衍射极限。合像光路边缘物面的MTF值在45 lp/mm处达到0.45。将两者组合优化后,总系统在45 lp/mm处各通道的MTF值均在0.5以上。对系统的各项公差进行了蒙特卡罗分析,结果表明有20%以上的良品率,该系统适合于科研加工装配,具有实用价值。
  • 图  1  分孔径紫外多波段成像原理示意图

    Figure  1.  Schematic of the imaging system

    图  2  尺寸规划图:(a)透镜尺寸规划;(b)滤光片尺寸规划

    Figure  2.  System dimension planning (a) Size planning of lens (b) Size planning of filters

    图  3  分孔径光路结构

    Figure  3.  Aperture-divided optical path structure

    图  4  各分孔径光路MTF图:(a) 240?280 nm;(b) 308 nm;(c) 300?360 nm;(d) 390 nm

    Figure  4.  MTF diagram of each aperture-divided optical path (a) 240?280 nm; (b) 308 nm; (c) 300?360 nm; (d) 390 nm

    图  5  分孔径光路像差(300 nm?360 nm):(a)弥散斑;(b)场曲与畸变

    Figure  5.  Optical aberration of aperture-divided optical path (300 nm?360 nm): (a) Diffuse spots; (b) Field curvature and distortion

    图  6  合像光路图

    Figure  6.  Image-combined optical path

    图  7  合像光路成像质量:(a)MTF曲线;(b)弥散斑;(c)场曲畸变

    Figure  7.  Aberration curves of image-combined optical path: (a) MTF curve; (b) Diffuse spots; (c) Field curvature and distortion

    图  8  组合系统整体布局

    Figure  8.  Optical schematic of assembly system

    图  9  成像区域尺寸:(a)一次像面成像区域尺寸;(b)探测器成像区域尺寸

    Figure  9.  Imaging area size: (a) Primary imaging area size; (b) Detector imaging area size

    图  10  图8所示总系统的各通道MTF图:(a) 240?280 nm;(b) 308 nm;(c) 300?360 nm;(d) 390 nm

    Figure  10.  MTF diagram of each channel of the system in Fig.8: (a) 240?280 nm; (b) 308 nm; (c) 300?360 nm; (d) 390 nm

    图  11  图8所示总系统的像差图(a)弥散斑(b)场曲和畸变

    Figure  11.  Aberration of the system in Fig.8: (a) Diffuse spots; (b) Field curvature and distortion

    图  12  火焰测量系统(a)急速混合管(b)测量实验系统结构

    Figure  12.  Flame measurement system (a) Rapid mixing tube (b) Measurement experiment system structure

    图  13  原理性实验结果:(a) 240?280 nm;(b) 308 nm;(c) 300?360 nm;(d) 390 nm;(e) 200?1000 nm;(f) 308 nm和390 nm图像的亮区域分别赋予黄色和绿色后叠加到带通300?360 nm图像的效果图

    Figure  13.  Principle experiment results: (a) 240?280 nm; (b) 308 nm; (c) 300?360 nm; (d) 390 nm; (e) 200?1000 nm; (f) The results of fusing the 300?360 nm image with bright regions from the 308 nm and 390 nm images, which are rendered as yellow and green, respectively

    表  1  光学系统公差

    Table  1.   Optical system tolerance

    表面公差 元件公差 折射率公差
    半径(mm) 0.01 X偏心(mm) 0.05 折射率 0.0001
    厚度(mm) 0.05 Y偏心(mm) 0.05
    S+A不规则度 0.2 倾斜X轴(°) 0.03 阿贝数(%) 0.1
    倾斜Y轴(°) 0.03
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    表  2  公差分析结果

    Table  2.   Results of tolerance analysis

    240?280 nm通道 308 nm通道 300?360 nm通道 390 nm通道
    45 lp/mm处MTF均值名义值 0.60866474 0.89469395 0.72324470 0.77810788
    50%结果45 lp/mm处MTF均值大于 0.21842692 0.39217021 0.27994123 0.34970794
    20%结果45 lp/mm处MTF均值大于 0.33126676 0.55969416 0.41906491 0.44755679
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  • [1] 宋旭东, 郭庆华, 龚岩, 等. 气流床撞击流水煤浆气化火焰光谱辐射特性实验研究[J]. 光谱学与光谱分析,2020,40(2):465-471.

    SONG X D, GUO Q H, GONG Y, et al. Chemiluminescence characteristics of coal-water slurry impinging flames in bench-scale entrained flow gasifier[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2020, 40(2): 465-471. (in Chinese)
    [2] 张磊, 陈绍武, 赵海川, 等. 基于光电探测的多光谱测温装置[J]. 中国光学,2019,12(2):289-293. doi: 10.3788/co.20191202.0289

    ZHANG L, CHEN SH W, ZHAO H CH, et al. Multi-spectral temperature measuring system based on photoelectric detection[J]. Chinese Optics, 2019, 12(2): 289-293. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20191202.0289
    [3] KRABICKA J, LU G, YAN Y. Profiling and characterization of flame radicals by combining spectroscopic imaging and neural network techniques[J]. IEEE Transactions on Instrumentation and Measurement, 2011, 60(5): 1854-1860. doi: 10.1109/TIM.2010.2102411
    [4] 周莹, 白永辉, 宋旭东, 等. 自由基的化学发光特性在火焰光谱诊断的应用综述[J]. 光谱学与光谱分析,2020,40(11):3358-3364.

    ZHOU Y, BAI Y H, SONG X D, et al. Application of chemiluminescence in spectral diagnosis: a review[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2020, 40(11): 3358-3364. (in Chinese)
    [5] 韩培仙, 任戈, 刘永, 等. 可见/中波双波段共口径光学系统设计[J]. 应用光学,2020,41(3):435-440. doi: 10.5768/JAO202041.0301001

    HAN P X, REN G, LIU Y, et al. Optical design of VIS/MWIR dual-band common-aperture system[J]. Journal of Applied Optics, 2020, 41(3): 435-440. (in Chinese) doi: 10.5768/JAO202041.0301001
    [6] 韩仲志, 万剑华, 刘杰, 等. 利用油品紫外荧光特性的多光谱成像检测[J]. 发光学报,2015,36(11):1335-1341. doi: 10.3788/fgxb20153611.1335

    HAN ZH ZH, WAN J H, LIU J, et al. Multispectral imaging detection using the ultraviolet fluorescence characteristics of oil[J]. Chinese Journal of Luminescence, 2015, 36(11): 1335-1341. (in Chinese) doi: 10.3788/fgxb20153611.1335
    [7] 高泽东, 高洪兴, 朱院院, 等. 快照式光谱成像技术综述[J]. 光学 精密工程,2020,28(6):1323-1343. doi: 10.3788/OPE.20202806.1323

    GAO Z D, GAO H X, ZHU Y Y, et al. Review of snapshot spectral imaging technologies[J]. Optics and Precision Engineering, 2020, 28(6): 1323-1343. (in Chinese) doi: 10.3788/OPE.20202806.1323
    [8] 苏永鹏, 谢洪波, 王瑶, 等. 分孔径中波红外多光谱成像光学系统的设计[J]. 应用光学,2018,39(6):767-772.

    SU Y P, XIE H B, WANG Y, et al. Design of aperture-divided multispectral imaging system in mid-infrared band[J]. Journal of Applied Optics, 2018, 39(6): 767-772. (in Chinese)
    [9] 王琪, 梁静秋, 梁中翥, 等. 分孔径红外偏振成像仪光学系统设计[J]. 中国光学,2018,11(1):92-99. doi: 10.3788/co.20181101.0092

    WANG Q, LIANG J Q, LIANG ZH ZH, et al. Design of decentered aperture-divided optical system of infrared polarization imager[J]. Chinese Optics, 2018, 11(1): 92-99. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20181101.0092
    [10] 万钇良. 红外分孔径偏振成像技术研究[D]. 长春: 中国科学院大学(中国科学院长春光学精密机械与物理研究所), 2019.

    WAN Y L. Study on infrared split-aperture polarization imaging technology[D]. Changchun: University of Chinese Academy of Sciences (Changchun Institute of Optics, Fine Mechanics and Physics, Chinese Academy of Sciences), 2019. (in Chinese).
    [11] 陈阳, 刘钧, 岳宝毅. 基于孔径/视场分割的红外复眼接收系统设计[J]. 激光与红外,2019,49(4):454-459. doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2019.04.011

    CHEN Y, LIU J, YUE B Y. Design of infrared compound eye receiving system based on aperture /field segmentation[J]. Laser &Infrared, 2019, 49(4): 454-459. (in Chinese) doi: 10.3969/j.issn.1001-5078.2019.04.011
    [12] 李西杰, 刘钧, 邹纯博, 等. 双波段共口径同时偏振光学系统设计[J]. 西安工业大学学报,2020,40(1):25-31.

    LI X J, LIU J, ZOU CH B, et al. Design of dual-band optical system with shared-aperture and complete polarization[J]. Journal of Xi'an Technological University, 2020, 40(1): 25-31. (in Chinese)
    [13] 中国科学院西安光学精密机械研究所. 会聚光分孔径多光谱成像光学系统: 中国, 110631701A[P]. 2019-12-31.

    Xian Institute Optics & Precision Mechanics CAS. Convergent light sub-aperture multispectral imaging optical system: CN, 110631701A[P]. 2019-12-31. (in Chinese).
    [14] CARLES G, BABINGTON J, WOOD A, et al. Superimposed multi-resolution imaging[J]. Optics Express, 2017, 25(26): 33043-33055. doi: 10.1364/OE.25.033043
    [15] 李芸. 紧凑型分孔径快照式光谱成像系统研究[D]. 西安: 中国科学院大学(中国科学院西安光学精密机械研究所), 2018.

    LI Y. Research on the compact division-aperture snapshot spectral imaging system[D]. Xian: University of Chinese Academy of Sciences (Xi'an Institute of Optics and Precision Mechanics, Chinese Academy of Sciences), 2018. (in Chinese).
    [16] 胡凯丰. 仿生多孔径系统超分辨成像研究[D]. 长春: 吉林大学, 2020.

    HU K F. Research on super-resolution imaging system with bionic muti-apertures[D]. Changchun: Jilin University, 2020. (in Chinese).
    [17] 张猛蛟, 蔡毅, 江峰, 等. 紫外增强硅基成像探测器进展[J]. 中国光学,2019,12(1):19-37. doi: 10.3788/co.20191201.0019

    ZHANG M J, CAI Y, JIANG F, et al. Silicon-based ultraviolet photodetection: progress and prospects[J]. Chinese Optics, 2019, 12(1): 19-37. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20191201.0019
    [18] 朱晓秀, 葛咏, 李建军, 等. 量子点增强硅基探测成像器件的研究进展[J]. 中国光学,2020,13(1):62-74. doi: 10.3788/co.20201301.0062

    ZHU X X, GE Y, LI J J, et al. Research progress of quantum dot enhanced silicon-based photodetectors[J]. Chinese Optics, 2020, 13(1): 62-74. (in Chinese) doi: 10.3788/co.20201301.0062
    [19] 何磊, 龚岩, 郭庆华, 等. 甲烷/氧气层流同轴射流扩散火焰OH*自由基的数值研究[J]. 光谱学与光谱分析,2018,38(3):685-691.

    HE L, GONG Y, GUO Q H, et al. Numerical study on oh* radicals in the laminar methane/oxygen Co-flowing jet diffusion flame[J]. Spectroscopy and Spectral Analysis, 2018, 38(3): 685-691. (in Chinese)
    [20] LAMOUREUX N, EL MERHUBI H, GASNOT L, et al. Measurements and modelling of HCN and CN species profiles in laminar CH4/O2/N2 low pressure flames using LIF/CRDS techniques[J]. Proceedings of the Combustion Institute, 2015, 35(1): 745-752. doi: 10.1016/j.proci.2014.05.126
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-02-04
  • 修回日期:  2021-05-27
  • 网络出版日期:  2021-08-11

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