用于透镜组宽谱段前置光孔远心光学系统的设计

用于透镜组宽谱段前置光孔远心光学系统的设计

0干涉成像光谱图像光谱安装在嫦娥一号卫星上，用于分析月球表面有用元素和材料的含量和分布。为了分析月球表面对真浮射引起的预测性，成像通常使用太平波的行李进行干扰成像。由于对月球的勘探不为预见，科学家希望获得任何波长的光谱强度数据，只有干涉成像才能具有这项功能。其次，由于sagnetic-u型干涉仪具有很强的相位适应性，因此它具有很大的相位噪声。嫦娥1号卫星的干扰图像采集历史悠久，没有出现故障，并验证了该优点。在这项工作中，我们设计了一种用于绘画宽谱分析光度的远心光学系统，该系统可以自动消除色度差，剩余的二级光谱可以简单地控制在距离数千英尺的以内。1傅氏光学系统的参量分配与色散型成像光谱仪一样,Sagnac空间调制型干涉成像光谱仪也必须是一个二次成像光学系统,它由前置光学系统、狭缝、Sagnac干涉仪、傅氏光学系统、柱面光学系统及二维焦平面阵列组成.在前置光学系统后焦面上设置的狭缝,其宽度与要求和地面分辨率GSD相匹配,该狭缝同时又位于傅氏透镜的物方焦平面上,系统结构见图1.该光学系统可以被看作是前置光学系统(前置照相物镜)后加入一组投影光学系统(接续光学系统relaylens).为了获取高品质的设计结果与增强航天环境的适应性能力,在本设计中,由傅氏光学系统与柱面光学系统构成的投影物镜是一个缩小倍率为-3.1×的大比尺缩小系统.这样使位于窗口附近,温度环境条件最为恶劣的前置光学系统具有强的环境适应能力,因为它造成的误差被后续投影物镜大大地缩小了,使它对环境条件变得不敏感.设计中,三组光学系统的参量分配见表1.前置光学系统、傅氏光学系统与柱面光学系统三个光组对系统的空间分辨率与光谱分辨率的影响是不相同的.其中对傅氏光学系统的设计要求最为苛刻,它以从狭缝作为物点,追迹出射光束的角像差来衡量.本文研究的是嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪中傅氏透镜的光学设计.2傅氏透镜.根据表1的光焦度分配,傅氏光学系统的设计参量为:1)f′=80mm;2)2ωp=9.56°;3)F数=7.34;4)工作波段=480～960nm;其它约束条件为:1)在狭缝与傅氏透镜间需插入一块厚度为60mm的平板,它是Sagnac干涉仪展开为平板的形式.2)在CCD与傅氏透镜之间,需插入一个柱面光学系统,在傅氏透镜设计中柱面零件按平板计算.3)傅氏透镜与柱面光学系统共焦,在焦平面上放置面阵CCD,全系统出射光孔与CCD焦平面重合,亦即傅氏透镜焦平面、柱面透镜焦平面、系统出射光孔与CCD焦平面四者共面.4)根据要求3),傅氏透镜为物方远心系统.5)傅氏透镜在480～960nm宽谱段范围内,需同时校正色差与二级光谱.6)厚度为60mm的平板玻璃,会产生可观的负球差与负色差,所以应与傅氏透镜共同校正像差.7)在狭缝、干涉仪、傅氏透镜、柱面透镜及CCD焦平面间均应有不小于10mm的间隙,以满足结构设计的要求.8)以狭缝作为物体,追迹光线,出射平行光线的角像差δθ应满足δθ≤θ/N(1)式中θ为剪切角,它是二虚狭缝中心对傅氏透镜光心之夹角,也等于在焦平面处二波面之夹角,N为光谱通道数.3玻璃选择玻璃选配的目的是为了使系统校正色差后,二级光谱达到自动校正之目的.3.1玻璃的选取及光焦度分配二级光谱是高级色差的一种,它是由于光学系统工作波段变大所致,它与相对孔径的平方和焦距的一次方成正比,其几何度量是对两端色光校正色差后与主色光之间的位置差.对于宽谱段的光学系统在满足光焦度要求的前提下校正位置色差的条件为C1=∑i=1nh2i(φi/vi)=0(2)C1=∑i=1nhi2(φi/vi)=0(2)同时校正二级光谱的条件为∑inh2i(φi/νi)Pi=0(3)∑inhi2(φi/νi)Ρi=0(3)为了同时校正色差与二级光谱,通常的办法是选择三种玻璃,它们在部分色散系数Pi与ν的图上所围的三角形具有尽可能大的面积.实际上是其中的二种玻璃组合成一种新的虚拟玻璃,它与第三种玻璃具有相同或接近的部分色散系数,而同时又有一定的阿贝数之差.因为普通玻璃在Pi-ν图上基本上都在一条直线上,所以它围成的三角形面积总是非常小,所以通常在三种玻璃中需要有一种玻璃它在Pi-ν图上离开正常色散线.以期扩大所围三角形的面积,用该方法时,还需要通过合适的光焦度分配才能达到同时校位置正色差与二级光谱之目的.偏离正常色散线的玻璃,常称为特种玻璃,其中效果最好的是CaF2,但因为氟化钙价格昂贵,尺寸做不大,所以主要用于复消色差显微镜中.为同时校正位置色差与二级光谱的复消色差照相物镜设计中常常采用中国牌号的特种火石玻璃TF系列,它相当于德国牌号的KZFSN系列玻璃.另一种做法是只选取两种玻璃,它们在光学系统的工作波段内具有很接近的部分色散系数Pi,同时又具有一定的阿贝数之差,这种方法的优点是其二级光谱的校正与系统中光焦度分配无关,解除了光学系统自动优化设计中二级光谱对光焦度的约束条件,亦即它满足消位置色差条件的式(1)后,自动满足式(2),容易设计出高品质的光组.其缺点是通常其Δν值都比较小,因而造成光组复杂化,据本文作者的经验两种玻璃的Δν只要大于5就可以有实用价值的设计.本傅氏透镜从设计要求来看,它的约束条件太多(详见第二部分),所以采用了选择适合的玻璃配对,以达到在位置消色差的情况下,自动校正二级光谱的目的,并取得了预期的效果.3.2各谱线阿贝数d傅氏光学系统的工作波段范围为480～960nm,谱段宽度Δλ=480nm.与一般目视光学仪器的工作波段相比,它大大地向长波扩展了.在傅氏光学系统设计中,选择了国产牌号的Lak2与TF3分别作为光组中正、负透镜之玻璃材料.这样系统中的光焦度分配只需满足消色差的约束条件.色差校正后,二级光谱一定很小.三种玻璃在各波长处的折射率和消色差时的阿贝数见表2和表3.从表3可以得到:1)与可见光波段对F、C消色差时,d线的阿贝数νd相比,由于波段拓宽使阿贝数的值大大减小,如K9玻璃νd=64.1而在480～960nm宽谱段时,减小为34.78;2)对各条谱线的阿贝数νλ变化不大;3)二种玻璃阿贝数的差值Δν与可见光消色差相比,大大减小,如TF3～K9之间阿贝数之差Δν从20减小为10.14,TF3～Lak2之间阿贝数之差Δν从10减小为5.9.为了分析采用Lak2配TF3在消色差后,二级光谱很小的原因,以K9～TF3的配对作为比对值.表4为在480～960nm的宽谱段内,Lak2与TF3的部分色散系数之差值,同表给出了K9与TF3的部分色散系数之差值,作为比对.部分色散系数的计算公式为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与960nm二谱线已校正色差,所以式(4)与(5)两者计算结果相同.从表4可以看出采用Lak2配对TF3,在各个波长上二者的部分色散系数都非常接近,所以一个光学系统采用Lak2与TF3两种玻璃,在480～960nm二条谱线校正色差后,二级光谱一定非常小,从而把消二级光谱对光焦度的约束条件予以释放,使光组获得更好的像差校正,但是Lak2与TF3的Δν值远比K9与TF3的Δν值小,所以光组必须适当复杂化.4光组结构的选择和优化设计4.1希望物方焦点和像方焦点都偏离光组根据设计要求,傅氏光学系统两边分别要插入Sagnac干涉仪展开平板与柱面光学系统,所以希望物方焦点与像方焦点都远离光组,也就是希望物方主面向前推,像方主面向后推,因此采用“负-正-负”的特殊光组结构型式.实际的设计结果为前焦点F离光组距离为0.78f′,后焦点F′离光组的距离为0.71f′满足插入Saganc干涉仪与柱面镜的要求.4.2复色光系统的光谱特性为了全面评价系统的像质,采用了自右向左倒追光线,在这种模式下,孔径光阑位于焦面F,以达到远心,保证光线在Sagnac干涉仪中,各视场的OPD相同,并且各视场在分束面上光束结构相同,使各视场的色漂移相同.图3为系统的色球差曲线,可以看出480nm与960nm的二条谱线基本上校正了色差,但交点偏低了一点,光线追迹发现这时离开最远的谱线为λ=750nm,其间隔为0.06mm即0.00075f′.如果不作玻璃配对选择,采用普通玻璃,则对双胶合而言,其值应为0.0026f′光组复杂化还会使系数0.0026进一步增大.针对性的玻璃选配使二级光谱值至少减小3.5×以上.系统的像散和畸变曲线见图4.虽然该系统是一个密集型结构,但由于航天力学环境条件的要求透镜都被大大加厚了,因此负-正-负的光焦度分布形式,仍然起到了正负光焦度分离的作用,使其具有小的SIV,同时光组中的二个弯月透镜与胶合面都弯向孔径光阑,减小SIII的值,因此子午与弧矢场曲都较小.同时由于远心要求造成系统严重失对称,但仍然很好的校正了的畸变SV,系统的最大畸变小于-0.3%系统的光学传递函数见图5.传递函数的计算结果表明,中心视场MTF达到了衍射极限,边缘视场MTF仅下降0.08,当空间频率等于50lp/mm时,复色光各视场MTF均大于0.6.从弥散斑尺寸(图6)看出:中心视场最大半径值仅为:0.765μm,均方差为0.48μm;最大视场最大弥散斑半径为5.8μm,均方差为2.6μm.对10μm2的CCD像元,最大弥散基本上控制在一个像元之内.由于傅氏透镜与干涉仪相配,它输出的是宽谱段的相干平面波,所以必须计算各视场各色光的波像差(见表5),至少优于瑞利判据.设计上把宽谱段的波像差量级控制在λ/40左右(RMS).为了检查出射平面波的角弥散,追迹了从狭缝上的物点发出的各色光经傅氏透镜后出射光线的角弥散,根据前面的判据,它应该小于0.00022弧度.实际计算表明,在最大孔径处,角弥散值小于0.00022弧度,当孔径略有缩小时,其角弥散(即平面波间的平行误差)均小于0.0001弧度.5基于扩大和拓展的全域光谱成像法傅氏光学系统,通过选择合适的玻璃配对,在480～960nm的宽光谱波段范围内校正色差后,自动校正二级光谱,其残余二级光谱大致与可见光中对F、C校正色差后,它们对d线的