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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(中英文), 2021, 14(6): 1476-1485. 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(中英文), 2021, 14(6): 1476-1485. 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, 2021, 14(6): 1476-1485. 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, 2021, 14(6): 1476-1485. doi: 10.37188/CO.2021-0052

分孔径紫外多波段成像光学系统设计

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,2018年于南京理工大学电子科学与技术专业获得学士学位,2021年于北京理工大学光学工程专业获得硕士学位,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,2003年于北京理工大学光电工程系获得博士学位,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)
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  • 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 4个不同波段的紫外辐射同时成像到紫外探测器的4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 diagram of the imaging system based on aperture-divided ultravolet multiband

    图 2  (a)透镜及(b)滤光片结构参数

    Figure 2.  Size parameters of (a) lens and (b) 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 diagrams 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(300~360 nm)。(a)弥散斑;(b)场曲与畸变

    Figure 5.  Optical aberration of aperture-divided optical path (300~360 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.  Overall layout of assembly system

    图 9  (a)一次像面成像区域尺寸及(b)探测器成像区域尺寸

    Figure 9.  (a) Primary imaging area size and (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厚度/mmS+A不规则度X偏心/mmY偏心/mm倾斜X轴/(°)倾斜Y轴/(°)折射率阿贝数(%)
    0.010.050.20.050.050.030.030.00010.1
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    表  2  公差分析结果

    Table  2.   Results of tolerance analysis

    通道/nmMTF(45 lp/mm处)
    均值50%结果均值大于值20%结果均值大于值
    240~280 nm0.608664740.218426920.33126676
    308 nm0.894693950.392170210.55969416
    300~360 nm0.723244700.279941230.41906491
    390 nm 0.778107880.349707940.44755679
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出版历程
  • 收稿日期:  2021-03-10
  • 修回日期:  2021-04-07
  • 网络出版日期:  2021-08-11
  • 刊出日期:  2021-11-19

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