红外宽波段光谱辐射调控技术

杨 扬，施 蕊，张小威，张思晨，李 芳，沈 涛，苏筱婷

(1. 上海机电工程研究所，上海 201109；2. 蓝视光学科技(北京)有限责任公司，北京 100081；3. 北京理工大学 光电学院，北京 100081)

0 引 言

为了提高制导系统对抗复杂环境及干扰的能力，红外制导系统工作模式从原来的扫描体制发展为凝视成像体制，工作波段从原来的单波段红外成像朝着双色红外成像、红外多光谱成像甚至高光谱成像的方向发展。红外多光谱探测制导技术工作波段覆盖了1～12 μm，主要有3种技术途径：通过多通道分光的方法可实现多个波段的红外探测；采用滤光片色轮，通过分时探测的方法可实现红外多光谱探测；通过将多个波段探测器集成在一起，可实现红外多光谱探测[1]。为了开展红外多光谱成像制导半实物仿真，需研发相应的红外多光谱场景物理效应模拟设备，对红外光源的光谱辐射进行选择性输出。目前主要的红外成像场景模拟器类型包括电阻阵列、数字微镜阵列(digital micro-mirror device, DMD)和光纤面阵等，其能够生成一定分辨率和动态范围的红外图像，但是所生成红外图像的光谱不可控，所以只能应用于单波段红外成像制导系统的半实物仿真[2]。目前红外多光谱探测制导技术快速发展，为了给多光谱探测制导系统提供试验验证环境，红外光谱辐射调控技术已成为研究热点。

DRS技术公司于2003年设计了一种高光谱场景模拟器，采用基于数字光信号处理(digital light processing，DLP)技术的场景模拟技术，在400～2 500 nm范围内对光谱辐射进行调控，光谱调控精度为5.2 nm[3]。

美国标准技术研究所开发的基于DLP的高光谱图像模拟器，工作波段为350～750 nm，光谱分辨率为10 nm[4]。

美国BNS公司于2010年提出了一种基于空间光调制器的光谱调制技术，可实现420～730 nm范围内的光谱调控功能[5]。该公司在2012年又提出了一种基于硅基液晶(liquid crystal on silicon, LCOS)的光谱调控技术，能够控制输出光束的光谱和偏振方向，工作波段为460～700 nm[6]。

中国原子能科学研究院2014年研发了一种高光谱场景模拟器，采用了液晶显示器件(liquid crystal display，LCD)作为光谱调控器件，可实现0.4～2.5 μm波段光谱调控[7]。

现有光谱调控方法在可见光和短波红外波段可实现较高的光谱控制精度[8]，但是，由于材料选取及分光方式不匹配无法实现中长波红外宽波段的光谱调控，不适用于中长波(3～5 μm、8～12 μm)红外多光谱探测系统的仿真和测试，因此必须对宽波段红外光谱调控技术进行研究。本文创新性地采用了多光谱棱镜分光，并使用反射式微镜阵列进行光束选通，在兼顾了光谱控制精度的前提下将光谱调控范围扩大至2～12 μm，对输出光谱峰值波长的控制精度达到100 nm。所设计的光谱调制器可作为点辐射源进行光谱辐射选择性输出，也可配合空间光调制器实现多光谱场景的模拟。所设计的光谱调制器可同时进行光谱维调制和时间维调制，此外还可广泛应用于光谱检测等领域。

1 光谱调制器设计

光谱调制器接收高温黑体产生的红外辐射，经过光谱调控后输出特定光谱分布的选择性红外辐射，其工作原理如图1所示。光谱调制器主要包括宽带光源、可变光阑、准直镜头、分光棱镜、汇聚镜头、微镜阵列、聚焦镜组、匀光器。采用高温黑体对可变光阑进行照射，出射的红外辐射经准直镜头准直为平行光入射至分光棱镜，经过棱镜分光后不同波长光束出射角发生偏转，经汇聚镜头成像在微镜阵列上。微镜阵列通过控制微反射镜偏转方向实现对入射光束的选通，选通后光束由聚焦镜组收集至匀光器进行光谱匀化，光束经过匀光器后在出射端口以一定数值孔径出射。

图1 光谱调制器工作原理图Fig.1 Principle of spectral modulator

微镜阵列可在2～12 μm范围内进行分光和光谱选通，实现对入射光束的光谱定量调制。光阑采用狭缝式可变光阑，其狭缝宽度在0～5 mm范围内可调，通过调整狭缝宽度控制入射光通量大小，进而改变系统动态范围和光谱分辨率。

准直镜头的功能是将可变光阑输出辐射准直为平行光，由于后端棱镜入射区为矩形区域，因此光束准直采用柱面镜实现，只改变一个方向光束传播方向。准直镜头由3个柱面正透镜和1个柱面负透镜组成，为使准直镜头具有2～12 μm的工作波段，取透镜材料为ZnSe。可变光阑设计为0.5×10 mm的矩形，光阑长边定义为Y方向，短边定义为X方向。考虑光束在棱镜上的入射区域，需要将光束准直为11×10 mm 的平行光出射。准直镜头光路结构如图2所示，图中描述的为Y方向光路结构。出射光束为11×10 mm 照度均匀的光束，如图3所示。

图2 准直镜头光路结构Fig.2 Optical structure of the collimating lens

图3 准直光束均匀性仿真结果图Fig.3 Uniformity of the light beam simulation

采用棱镜作为分光原件，采用红外棱镜进行分光具有两大优势，首先是棱镜工作波段较宽，其次由于棱镜采用色散分光的工作原理，不存在光谱混叠现象，能够满足宽波段光谱调制的要求。

棱镜材料选用多光谱ZnS，该材料具有较宽的光谱透过率和较大的折射率，棱镜角色散率表示为

(1)

式中：θ为棱镜偏向角；λ为波长；n为棱镜折射率；α为棱镜顶角；i′1和i′2为光线入射和出射棱镜的角度。棱镜的角色散率与棱镜顶角α、棱镜材料、光线入射棱镜的角度有关[9]。α越大，棱镜的角色散率就越大。但棱镜顶角α过大将导致光发生全反射，全反射临界条件为

(2)

因此，棱镜顶角α不能超过50.2°，取顶角α为46°，即棱镜横截面是三个角分别为46°、67°、67°的三角形，如图4所示。

图4 棱镜设计结构Fig.4 Design of the prism

为保证分光后光束覆盖微镜阵列芯片(尺寸为14 mm×10 mm)区域，棱镜的侧面厚度需大于10 mm。棱镜的角色散率还可表示为

(3)

式中：d为棱镜顶角相对的底边长度；D′为出射光束宽度。由式(3)可以看出，棱镜的光谱分辨率与棱镜的角色散率和棱镜的底边长度有关。底边长度越大，棱镜分辨率越大。因此，为提高棱镜光谱分辨率，应使棱镜底边长度尽量大，且光束尽量充满棱镜孔径。综合考虑加工工艺后，设计棱镜底边长度为40 mm。

棱镜偏向角θ被定义为入射光束和出射光束的夹角，光束在棱镜中的传播满足折射定律，偏向角可描述为

(4)

为方便计算，λ取中心波长7 μm。为取得更好的分光效果，需保证光束在棱镜中传播路径平行于棱镜底边，此时，i1=i′2且i′1=i2=α/2，则中心波长入射角度i1取60°，光束偏转角为75.4°。

棱镜分光后单个波长出射光为平行光，不同波长的平行光束之间有一定夹角。汇聚透镜的作用是：将有夹角的不同波长的光通过透镜的汇聚作用成像在焦平面的微镜阵列芯片上，并充满14×10 mm尺寸的焦平面。汇聚透镜材料为ZnSe，其设计结构如图5所示。中心波长取7 μm，中心波长与2 μm波长的光的夹角为4.28°，与12 μm波长的光的夹角为4.08°。为避免光束超出微镜阵列的范围，取θ/2为4.28°，焦距f设计为93.5 mm。

图5 汇聚透镜设计结构Fig.5 Design of the focusing lens

采用微镜阵列实现对像平面光束的选通，如图6所示。在光谱选通区域上，通过控制微反射镜偏转方向可以实现对出射光束方向的控制。每一列微反射镜阵列均对应一个光谱分量，经过微反射镜反射进入后继光学系统中的光束为被选通的光束，其余光谱分量则被剔除。微反射镜阵列在两个维度上对入射光束进行调制：水平方向上实现光谱维调制，对所需要的光谱分量进行选通；垂直方向上实现能量维的调制，控制每个光谱分量的积分辐射功率。微镜阵列规模为1 024×768，其中横向1 024阵列对应光谱维，纵向768阵列对应能量维。

图6 光谱选通工作原理图Fig.6 Principle of the light switching array

根据棱镜分光并成像后在像平面不同位置的光谱分布情况，将微镜阵列输出光束不同的光谱分布曲线映射为不同的二值化图像，通过控制输入图像实现对出射光谱分布的控制。微反射镜阵列通过专用驱动控制装置进行控制。

选通后光束通过汇聚镜头进行聚焦，汇聚镜头使用双透镜的组合方式，材料为Ge和ZnSe，镜头设计结构如图7所示。

图7 汇聚镜头设计结构图Fig.7 Design of the focusing lens

匀光器采用矩形反射式匀光方案，光束入射后经多次反射达到匀化效果。匀光器入射端空心截面的尺寸为7.5 mm×7 mm，壁厚为5 mm，长度为145 mm。内表面镀铝反射膜，能量利用率为80%。

匀光器出口处光束数值孔径为0.22，形成面积为7.5 mm×7 mm的红外辐射面，该辐射面可作为光谱输出可控的点辐射源，也可作为面辐射源进行空间光调制，实现红外多光谱动态场景模拟。

2 仿真分析

光谱辐射调制器光学系统为单通道系统，系统辐射利用率可表示为

τ(λ)=τ1(λ)τ2(λ)τ3(λ)τ4(λ)τ5(λ)τ6(λ)

(5)

式中：τ1(λ)为准直镜头辐射利用率；τ2(λ)为分光棱镜辐射利用率；τ3(λ)为汇聚镜头辐射利用率；τ4(λ)为微镜阵列辐射利用率；τ5(λ)为聚焦镜组辐射利用率；τ6(λ)为匀光器辐射利用率。各光学元件在3～5 μm波段的辐射利用率参考值如表1所示。

表1 3～5 μm波段的透过率参考值Tab.1 Transmissivity of optical element in 3～5 μm

根据黑体辐射定律，由可变光阑输出并由准直镜头接收的辐射功率可表示为

(6)

式中：L1(λ)为可变光阑处光谱辐射亮度；S1为可变光阑面积，取5 mm2；θ1为出射光束与可变光阑法线的夹角；Ω1为准直镜头接收光束的数值孔径，取0.03；Ω为单位立体角。由匀光器输出的红外辐射功率可表示为

(7)

式中：L2(λ)为匀光器出口处光谱辐射亮度；S2为匀光器出口面积，取52.5 mm2，θ2为出射光束与匀光器出口法线的夹角；Ω2为匀光器出射光束数值孔径，取0.16。由于光谱辐射调制器光学系统设计时进行了数值孔径匹配，不存在由于数值孔径引起的辐射损失，因此存在关系

φ2(λ)=τ(λ)φ1(λ)

(8)

可变光阑前黑体温度为1 200 ℃，黑体发射率取0.9，计算得到匀光器出口处在3～5 μm波段内辐射亮度为2.9×10-3W/(cm2·sr)，等效黑体温度为130 ℃。

使用ZEMAX软件对光谱调制器分光效果进行仿真，得到在2～12 μm波段的分光图，如图8所示。在微镜阵列选通区域，可实现2～12 μm波段的分光，通过控制不同区域光束选通，可实现对出射光谱的调控。

图8 2～12 μm波段光谱调制器分光仿真结果Fig.8 Simulation of the spectral modulator in 2～12 μm

3 实验验证及结果分析

光谱调控实验装置如图9所示。可变光阑前放置最高温度为1 200℃的黑体，光束依次经过准直镜头、分光棱镜、汇聚镜头、微镜阵列、聚焦镜组和匀光器。各光学组件固定在一个调试面板上。为测试光谱调制器对输出红外辐射的光谱调控效果，使用傅里叶变换红外光谱辐射计(LR Tech VSR-3)对匀光器出口红外辐射进行测量，光谱辐射计工作波段为0.9～20 μm，光谱分辨率为0.1 nm。控制光谱调制器使输出红外辐射峰值波长分别为3.0 μm、4.0 μm、5.0 μm、8.0 μm、9.0 μm、10.0 μm、11.0 μm。

图9 光谱调控实验装置Fig.9 Test setup of spectral modulation and control

匀光器出射辐射采用中波红外热像仪(IRCAM Taurus81kM)进行测试，实验结果如图10所示，在中红外波段等效黑体温度为130 ℃。通过控制微镜阵列不同区域的微镜偏转，光谱调制器可在2～12 μm范围内实现光谱定量调控，可控制输出光谱的峰值波长在2～12 μm范围移动，实验结果如图11所示。图11中横轴表示光谱调控范围，纵轴表示探测器输出的数字量。通过对控制微镜阵列在时间上进行调制，可同时实现对红外辐射光谱和时间两个维度的定量调控。由图11可以看出，在4.3 μm处出现了较大的吸收峰，这是因为测试光路中二氧化碳被吸收造成的。

图10 光谱调制器红外辐射输出Fig.10 IR output of spectral modulator

图11 光谱调控实验结果Fig.11 Result of spectral modulation and control test

表2为设定峰值波长和输出峰值波长实测结果。实验结果表明，光谱调制器可在2～12 μm范围内实现光谱调控，对输出红外辐射峰值波长的控制精度优于100 nm。

表2 输出峰值波长调控实验结果Tab.2 Result of output peak wavelength modulation test

4 结束语

本文针对红外多光谱动态场景仿真中的宽波段光谱定量调控问题，提出了基于棱镜分光和微反射镜阵列光选通的光谱辐射定量调控方法，设计并研制了光谱调制器。经实验验证，光谱调制器工作波段覆盖2～12 μm波段范围，能够实现对入射光的宽波段光谱辐射定量调控，对峰值波长的控制精度优于100 nm，解决了红外多光谱场景模拟中对入射光束光谱分布进行定量控制的问题，可应用于红外多光谱制导半实物仿真以及红外光谱检测等领域。