用于透鏡組寬譜段前置光孔遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

用于透鏡組寬譜段前置光孔遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

0干涉成像光譜圖像光譜安裝在嫦娥一號(hào)衛(wèi)星上，用于分析月球表面有用元素和材料的含量和分布。為了分析月球表面對(duì)真浮射引起的預(yù)測(cè)性，成像通常使用太平波的行李進(jìn)行干擾成像。由于對(duì)月球的勘探不為預(yù)見，科學(xué)家希望獲得任何波長(zhǎng)的光譜強(qiáng)度數(shù)據(jù)，只有干涉成像才能具有這項(xiàng)功能。其次，由于sagnetic-u型干涉儀具有很強(qiáng)的相位適應(yīng)性，因此它具有很大的相位噪聲。嫦娥1號(hào)衛(wèi)星的干擾圖像采集歷史悠久，沒有出現(xiàn)故障，并驗(yàn)證了該優(yōu)點(diǎn)。在這項(xiàng)工作中，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種用于繪畫寬譜分析光度的遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以自動(dòng)消除色度差，剩余的二級(jí)光譜可以簡(jiǎn)單地控制在距離數(shù)千英尺的以內(nèi)。1傅氏光學(xué)系統(tǒng)的參量分配與色散型成像光譜儀一樣,Sagnac空間調(diào)制型干涉成像光譜儀也必須是一個(gè)二次成像光學(xué)系統(tǒng),它由前置光學(xué)系統(tǒng)、狹縫、Sagnac干涉儀、傅氏光學(xué)系統(tǒng)、柱面光學(xué)系統(tǒng)及二維焦平面陣列組成.在前置光學(xué)系統(tǒng)后焦面上設(shè)置的狹縫,其寬度與要求和地面分辨率GSD相匹配,該狹縫同時(shí)又位于傅氏透鏡的物方焦平面上,系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1.該光學(xué)系統(tǒng)可以被看作是前置光學(xué)系統(tǒng)(前置照相物鏡)后加入一組投影光學(xué)系統(tǒng)(接續(xù)光學(xué)系統(tǒng)relaylens).為了獲取高品質(zhì)的設(shè)計(jì)結(jié)果與增強(qiáng)航天環(huán)境的適應(yīng)性能力,在本設(shè)計(jì)中,由傅氏光學(xué)系統(tǒng)與柱面光學(xué)系統(tǒng)構(gòu)成的投影物鏡是一個(gè)縮小倍率為-3.1×的大比尺縮小系統(tǒng).這樣使位于窗口附近,溫度環(huán)境條件最為惡劣的前置光學(xué)系統(tǒng)具有強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力,因?yàn)樗斐傻恼`差被后續(xù)投影物鏡大大地縮小了,使它對(duì)環(huán)境條件變得不敏感.設(shè)計(jì)中,三組光學(xué)系統(tǒng)的參量分配見表1.前置光學(xué)系統(tǒng)、傅氏光學(xué)系統(tǒng)與柱面光學(xué)系統(tǒng)三個(gè)光組對(duì)系統(tǒng)的空間分辨率與光譜分辨率的影響是不相同的.其中對(duì)傅氏光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)要求最為苛刻,它以從狹縫作為物點(diǎn),追跡出射光束的角像差來衡量.本文研究的是嫦娥一號(hào)衛(wèi)星干涉成像光譜儀中傅氏透鏡的光學(xué)設(shè)計(jì).2傅氏透鏡.根據(jù)表1的光焦度分配,傅氏光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參量為:1)f′=80mm;2)2ωp=9.56°;3)F數(shù)=7.34;4)工作波段=480～960nm;其它約束條件為:1)在狹縫與傅氏透鏡間需插入一塊厚度為60mm的平板,它是Sagnac干涉儀展開為平板的形式.2)在CCD與傅氏透鏡之間,需插入一個(gè)柱面光學(xué)系統(tǒng),在傅氏透鏡設(shè)計(jì)中柱面零件按平板計(jì)算.3)傅氏透鏡與柱面光學(xué)系統(tǒng)共焦,在焦平面上放置面陣CCD,全系統(tǒng)出射光孔與CCD焦平面重合,亦即傅氏透鏡焦平面、柱面透鏡焦平面、系統(tǒng)出射光孔與CCD焦平面四者共面.4)根據(jù)要求3),傅氏透鏡為物方遠(yuǎn)心系統(tǒng).5)傅氏透鏡在480～960nm寬譜段范圍內(nèi),需同時(shí)校正色差與二級(jí)光譜.6)厚度為60mm的平板玻璃,會(huì)產(chǎn)生可觀的負(fù)球差與負(fù)色差,所以應(yīng)與傅氏透鏡共同校正像差.7)在狹縫、干涉儀、傅氏透鏡、柱面透鏡及CCD焦平面間均應(yīng)有不小于10mm的間隙,以滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求.8)以狹縫作為物體,追跡光線,出射平行光線的角像差δθ應(yīng)滿足δθ≤θ/N(1)式中θ為剪切角,它是二虛狹縫中心對(duì)傅氏透鏡光心之夾角,也等于在焦平面處二波面之夾角,N為光譜通道數(shù).3玻璃選擇玻璃選配的目的是為了使系統(tǒng)校正色差后,二級(jí)光譜達(dá)到自動(dòng)校正之目的.3.1玻璃的選取及光焦度分配二級(jí)光譜是高級(jí)色差的一種,它是由于光學(xué)系統(tǒng)工作波段變大所致,它與相對(duì)孔徑的平方和焦距的一次方成正比,其幾何度量是對(duì)兩端色光校正色差后與主色光之間的位置差.對(duì)于寬譜段的光學(xué)系統(tǒng)在滿足光焦度要求的前提下校正位置色差的條件為C1=∑i=1nh2i(φi/vi)=0(2)C1=∑i=1nhi2(φi/vi)=0(2)同時(shí)校正二級(jí)光譜的條件為∑inh2i(φi/νi)Pi=0(3)∑inhi2(φi/νi)Ρi=0(3)為了同時(shí)校正色差與二級(jí)光譜,通常的辦法是選擇三種玻璃,它們?cè)诓糠稚⑾禂?shù)Pi與ν的圖上所圍的三角形具有盡可能大的面積.實(shí)際上是其中的二種玻璃組合成一種新的虛擬玻璃,它與第三種玻璃具有相同或接近的部分色散系數(shù),而同時(shí)又有一定的阿貝數(shù)之差.因?yàn)槠胀úＡг赑i-ν圖上基本上都在一條直線上,所以它圍成的三角形面積總是非常小,所以通常在三種玻璃中需要有一種玻璃它在Pi-ν圖上離開正常色散線.以期擴(kuò)大所圍三角形的面積,用該方法時(shí),還需要通過合適的光焦度分配才能達(dá)到同時(shí)校位置正色差與二級(jí)光譜之目的.偏離正常色散線的玻璃,常稱為特種玻璃,其中效果最好的是CaF2,但因?yàn)榉}價(jià)格昂貴,尺寸做不大,所以主要用于復(fù)消色差顯微鏡中.為同時(shí)校正位置色差與二級(jí)光譜的復(fù)消色差照相物鏡設(shè)計(jì)中常常采用中國(guó)牌號(hào)的特種火石玻璃TF系列,它相當(dāng)于德國(guó)牌號(hào)的KZFSN系列玻璃.另一種做法是只選取兩種玻璃,它們?cè)诠鈱W(xué)系統(tǒng)的工作波段內(nèi)具有很接近的部分色散系數(shù)Pi,同時(shí)又具有一定的阿貝數(shù)之差,這種方法的優(yōu)點(diǎn)是其二級(jí)光譜的校正與系統(tǒng)中光焦度分配無關(guān),解除了光學(xué)系統(tǒng)自動(dòng)優(yōu)化設(shè)計(jì)中二級(jí)光譜對(duì)光焦度的約束條件,亦即它滿足消位置色差條件的式(1)后,自動(dòng)滿足式(2),容易設(shè)計(jì)出高品質(zhì)的光組.其缺點(diǎn)是通常其Δν值都比較小,因而造成光組復(fù)雜化,據(jù)本文作者的經(jīng)驗(yàn)兩種玻璃的Δν只要大于5就可以有實(shí)用價(jià)值的設(shè)計(jì).本傅氏透鏡從設(shè)計(jì)要求來看,它的約束條件太多(詳見第二部分),所以采用了選擇適合的玻璃配對(duì),以達(dá)到在位置消色差的情況下,自動(dòng)校正二級(jí)光譜的目的,并取得了預(yù)期的效果.3.2各譜線阿貝數(shù)d傅氏光學(xué)系統(tǒng)的工作波段范圍為480～960nm,譜段寬度Δλ=480nm.與一般目視光學(xué)儀器的工作波段相比,它大大地向長(zhǎng)波擴(kuò)展了.在傅氏光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)中,選擇了國(guó)產(chǎn)牌號(hào)的Lak2與TF3分別作為光組中正、負(fù)透鏡之玻璃材料.這樣系統(tǒng)中的光焦度分配只需滿足消色差的約束條件.色差校正后,二級(jí)光譜一定很小.三種玻璃在各波長(zhǎng)處的折射率和消色差時(shí)的阿貝數(shù)見表2和表3.從表3可以得到:1)與可見光波段對(duì)F、C消色差時(shí),d線的阿貝數(shù)νd相比,由于波段拓寬使阿貝數(shù)的值大大減小,如K9玻璃νd=64.1而在480～960nm寬譜段時(shí),減小為34.78;2)對(duì)各條譜線的阿貝數(shù)νλ變化不大;3)二種玻璃阿貝數(shù)的差值Δν與可見光消色差相比,大大減小,如TF3～K9之間阿貝數(shù)之差Δν從20減小為10.14,TF3～Lak2之間阿貝數(shù)之差Δν從10減小為5.9.為了分析采用Lak2配TF3在消色差后,二級(jí)光譜很小的原因,以K9～TF3的配對(duì)作為比對(duì)值.表4為在480～960nm的寬譜段內(nèi),Lak2與TF3的部分色散系數(shù)之差值,同表給出了K9與TF3的部分色散系數(shù)之差值,作為比對(duì).部分色散系數(shù)的計(jì)算公式為p(λ)=n480?nλn480?n960(4)p(λ)=n480-nλn480-n960(4)或者p(λ)=nλ?n960n480?n960(5)p(λ)=nλ-n960n480-n960(5)用由于480nm與960nm二譜線已校正色差,所以式(4)與(5)兩者計(jì)算結(jié)果相同.從表4可以看出采用Lak2配對(duì)TF3,在各個(gè)波長(zhǎng)上二者的部分色散系數(shù)都非常接近,所以一個(gè)光學(xué)系統(tǒng)采用Lak2與TF3兩種玻璃,在480～960nm二條譜線校正色差后,二級(jí)光譜一定非常小,從而把消二級(jí)光譜對(duì)光焦度的約束條件予以釋放,使光組獲得更好的像差校正,但是Lak2與TF3的Δν值遠(yuǎn)比K9與TF3的Δν值小,所以光組必須適當(dāng)復(fù)雜化.4光組結(jié)構(gòu)的選擇和優(yōu)化設(shè)計(jì)4.1希望物方焦點(diǎn)和像方焦點(diǎn)都偏離光組根據(jù)設(shè)計(jì)要求,傅氏光學(xué)系統(tǒng)兩邊分別要插入Sagnac干涉儀展開平板與柱面光學(xué)系統(tǒng),所以希望物方焦點(diǎn)與像方焦點(diǎn)都遠(yuǎn)離光組,也就是希望物方主面向前推,像方主面向后推,因此采用“負(fù)-正-負(fù)”的特殊光組結(jié)構(gòu)型式.實(shí)際的設(shè)計(jì)結(jié)果為前焦點(diǎn)F離光組距離為0.78f′,后焦點(diǎn)F′離光組的距離為0.71f′滿足插入Saganc干涉儀與柱面鏡的要求.4.2復(fù)色光系統(tǒng)的光譜特性為了全面評(píng)價(jià)系統(tǒng)的像質(zhì),采用了自右向左倒追光線,在這種模式下,孔徑光闌位于焦面F,以達(dá)到遠(yuǎn)心,保證光線在Sagnac干涉儀中,各視場(chǎng)的OPD相同,并且各視場(chǎng)在分束面上光束結(jié)構(gòu)相同,使各視場(chǎng)的色漂移相同.圖3為系統(tǒng)的色球差曲線,可以看出480nm與960nm的二條譜線基本上校正了色差,但交點(diǎn)偏低了一點(diǎn),光線追跡發(fā)現(xiàn)這時(shí)離開最遠(yuǎn)的譜線為λ=750nm,其間隔為0.06mm即0.00075f′.如果不作玻璃配對(duì)選擇,采用普通玻璃,則對(duì)雙膠合而言,其值應(yīng)為0.0026f′光組復(fù)雜化還會(huì)使系數(shù)0.0026進(jìn)一步增大.針對(duì)性的玻璃選配使二級(jí)光譜值至少減小3.5×以上.系統(tǒng)的像散和畸變曲線見圖4.雖然該系統(tǒng)是一個(gè)密集型結(jié)構(gòu),但由于航天力學(xué)環(huán)境條件的要求透鏡都被大大加厚了,因此負(fù)-正-負(fù)的光焦度分布形式,仍然起到了正負(fù)光焦度分離的作用,使其具有小的SIV,同時(shí)光組中的二個(gè)彎月透鏡與膠合面都彎向孔徑光闌,減小SIII的值,因此子午與弧矢場(chǎng)曲都較小.同時(shí)由于遠(yuǎn)心要求造成系統(tǒng)嚴(yán)重失對(duì)稱,但仍然很好的校正了的畸變SV,系統(tǒng)的最大畸變小于-0.3%系統(tǒng)的光學(xué)傳遞函數(shù)見圖5.傳遞函數(shù)的計(jì)算結(jié)果表明,中心視場(chǎng)MTF達(dá)到了衍射極限,邊緣視場(chǎng)MTF僅下降0.08,當(dāng)空間頻率等于50lp/mm時(shí),復(fù)色光各視場(chǎng)MTF均大于0.6.從彌散斑尺寸(圖6)看出:中心視場(chǎng)最大半徑值僅為:0.765μm,均方差為0.48μm;最大視場(chǎng)最大彌散斑半徑為5.8μm,均方差為2.6μm.對(duì)10μm2的CCD像元,最大彌散基本上控制在一個(gè)像元之內(nèi).由于傅氏透鏡與干涉儀相配,它輸出的是寬譜段的相干平面波,所以必須計(jì)算各視場(chǎng)各色光的波像差(見表5),至少優(yōu)于瑞利判據(jù).設(shè)計(jì)上把寬譜段的波像差量級(jí)控制在λ/40左右(RMS).為了檢查出射平面波的角彌散,追跡了從狹縫上的物點(diǎn)發(fā)出的各色光經(jīng)傅氏透鏡后出射光線的角彌散,根據(jù)前面的判據(jù),它應(yīng)該小于0.00022弧度.實(shí)際計(jì)算表明,在最大孔徑處,角彌散值小于0.00022弧度,當(dāng)孔徑略有縮小時(shí),其角彌散(即平面波間的平行誤差)均小于0.0001弧度.5基于擴(kuò)大和拓展的全域光譜成像法傅氏光學(xué)系統(tǒng),通過選擇合適的玻璃配對(duì),在480～960nm的寬光譜波段范圍內(nèi)校正色差后,自動(dòng)校正二級(jí)光譜,其殘余二級(jí)光譜大致與可見光中對(duì)F、C校正色差后,它們對(duì)d線的