專利名稱：基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明提供一種大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置，尤其涉及一種基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡
裝置。
背景技術(shù)：
望遠(yuǎn)鏡的分辨率受到觀測波長和光學(xué)鏡頭口徑的限制。主鏡口徑越大，觀測波長越短，分辨率則越高。為了觀測遠(yuǎn)處物體的微小細(xì)節(jié)，實(shí)現(xiàn)高分辨率觀測，提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率具有重要的意義。目前提高望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)分辨率的方法主要有兩大類:一是使用短波觀測，二是增大望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光學(xué)口徑。著名的短波觀測望遠(yuǎn)鏡主要有:康普頓伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡，錢德拉X射線太空望遠(yuǎn)鏡和費(fèi)米伽馬射線太空望遠(yuǎn)鏡等。由于X射線和伽瑪射線的波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于可見光波長，上述望遠(yuǎn)鏡的分辨率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于相同口徑光學(xué)望遠(yuǎn)鏡的分辨率。但是短波成像通常只能觀測特定的對象且裝置復(fù)雜，成本高，容易受外界輻射的影響。增大望遠(yuǎn)鏡有效口徑的方法主要有:直接增大法、拼接法和合成口徑法。直接增大法就是使用大口徑的鏡頭作為望遠(yuǎn)系統(tǒng)的主鏡，如日本的昂星團(tuán)8m 口徑望遠(yuǎn)鏡。但是由于目前工藝水平的限制，制造一面巨大的可以滿足分辨率要求的大口徑鏡頭往往是不現(xiàn)實(shí)的。而且大口徑鏡頭的制造費(fèi)用幾乎與口徑的立方成正比，制造成本昂貴。為了維持大口徑鏡面的形狀，鏡面的厚度也要隨之增加，容易造成鏡面因?yàn)橹亓蜏囟炔痪鶆蚨a(chǎn)生畸變。利用多個(gè)小口徑鏡頭拼接成一個(gè)大口徑鏡面的多鏡面拼接技術(shù)是另一種增大望遠(yuǎn)系統(tǒng)有效口徑的方法。美國凱克望遠(yuǎn)鏡的10米口徑主鏡就是由36塊口徑為1.8米的六角形小鏡片組成，厚度僅為10厘米。雖然拼接后的鏡面厚度只有每個(gè)小鏡子的厚度，但由于鏡面很大，需要多種輔助支撐系統(tǒng)來維持極高的鏡面精度，技術(shù)難度大，維護(hù)困難。合成口徑法是利用多臺(tái)小口徑望遠(yuǎn)鏡通過光干涉聯(lián)合來增大望遠(yuǎn)系統(tǒng)的有效口徑。歐洲南方天文臺(tái)的甚大望遠(yuǎn)鏡就是使用4臺(tái)Sm 口徑望遠(yuǎn)鏡組合成一臺(tái)等效口徑為16m的光學(xué)望遠(yuǎn)鏡。因?yàn)槭褂枚鄠€(gè)望遠(yuǎn)鏡，整套合成口徑望遠(yuǎn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，而且為了組合多臺(tái)望遠(yuǎn)鏡聯(lián)合觀測并且精確地控制每一臺(tái)望遠(yuǎn)鏡保證測量精度，需要復(fù)雜而精密的控制系統(tǒng)。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述背景技術(shù)中的缺陷，在不改變望遠(yuǎn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，本發(fā)明提供一種基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置。本發(fā)明的第一種方案:一種基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置(折射式)，包括光線收集單元、望遠(yuǎn)單元和成像單元；所述望遠(yuǎn)單元包括第一透鏡(2)和第二透鏡(3)，第一透鏡(2)與第二透鏡(3)共焦；所述成像單元包括由第三透鏡(5)以及設(shè)置于第三透鏡(5)成像面上的CXD或CMOS相機(jī)(6);所述光線收集單元包括光柵矢量方向相互平行的第一光柵(I)和第二光柵(4)，其中第一光柵(I)設(shè)置于第一透鏡(2)前方,第二光柵(4)設(shè)置于第二透鏡(3)后方、第一光柵(I)的像面處；所述第一光柵(I)的有效口徑D滿足:D=DQ+2d I tan θ |，其中:DQ表示第一透鏡(2)的有效口徑，d表不第一光柵(I)到第一透鏡(2)之間的距離，Θ表不第一光柵
(I)的一級(jí)衍射角；所述第二光柵(4)的周期A2和第一光柵(I)的周期A1滿足以下關(guān)系:A1=A2.Γ，其中Γ為所述望遠(yuǎn)單元的視放大率?；谏鲜龌炯夹g(shù)方案，本發(fā)明還具有如下優(yōu)化與改進(jìn):上述第一光柵(I)是相位型光柵或振幅型光柵，所述第二光柵(4)是相位型光柵或振幅型光柵。進(jìn)一步優(yōu)選:第一光柵(I)是相位閃耀光柵或相位階為H的二進(jìn)制相位光柵，第二光柵(4)是相位閃耀光柵或相位階為π的二進(jìn)制相位光柵。同時(shí)第一光柵(I)和第二光柵(4)還可以是環(huán)形等周期衍射光柵。上述第一透鏡(2)和第二透鏡(3)均為鍍有增透膜的消色差透鏡。本發(fā)明的另一種方案:一種基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置(反射式)，包括光線收集單元、望遠(yuǎn)單元和成像單元；所述望遠(yuǎn)單元包括依次設(shè)置的第一反射鏡(7)、第二反射鏡(8)和第四透鏡
(9);第二反射鏡(8)的中部為透光區(qū)、外環(huán)為反射區(qū)，入射光線經(jīng)第二反射鏡(8)的反射區(qū)反射至第一反射鏡(7)，再次向第二反射鏡(8)反射，并透過第二反射鏡(8)的透光區(qū)至第四透鏡(9);所述成像單元包括由第三透鏡(5)以及設(shè)置于第三透鏡(5)成像面上的CXD或CMOS相機(jī)(6);所述光線收集單元包括光柵矢量方向相互平行的第一光柵(I)和第二光柵
(4)，其中第一光柵(I)設(shè)置在第一反射鏡(7)前方，第二光柵(4)設(shè)置在第四透鏡(9)后方、第一光柵(I)的像面處；所述第一光柵(I)的有效口徑D滿足:D=DQ+2d I tan θ |，其中:Dtl表示第二反射鏡(8)的有效口 徑，d表示第一光柵(I)到第二反射鏡(8)之間的距離，Θ表示第一光柵(I)的一級(jí)衍射角；所述第二光柵(4)的周期A2和第一光柵(I)的周期A1滿足以下關(guān)系=A1=A2* Γ，其中Γ為所述望遠(yuǎn)單元的視放大率?；谏鲜龌炯夹g(shù)方案，本發(fā)明還具有如下優(yōu)化與改進(jìn):上述第一光柵(I)是相位型光柵或振幅型光柵，所述第二光柵(4)是相位型光柵或振幅型光柵。進(jìn)一步優(yōu)選:第一光柵(I)是相位閃耀光柵或相位階為H的二進(jìn)制相位光柵，所述第二光柵(4)是相位閃耀光柵或相位階為π的二進(jìn)制相位光柵。同時(shí)第一光柵(I)和第二光柵(4)還可以是環(huán)形等周期衍射光柵。上述第三透鏡(5)和第四透鏡(9)均為鍍有增透膜的消色差透鏡；第一反射鏡(7)為雙曲面，第二反射鏡(8)為拋物面且中部透光區(qū)域?yàn)橥住１景l(fā)明具有以下有益效果:1、本發(fā)明中的光線收集單元將原本無法入射望遠(yuǎn)單元的光線收集起來，擴(kuò)大了系統(tǒng)的有效口徑，提高了望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的分辨率。2、本發(fā)明中的光線收集單元使用具有較大折光度的衍射光柵，可以在較小焦距的主鏡下折光成像，減小了系統(tǒng)的體積和重量。3、本發(fā)明中的光線收集單元采用周期滿足=A1=A2.Γ的互補(bǔ)衍射光柵對，可以解決成像中的色差問題。4、本發(fā)明中的光線收集單元采用等周期的衍射光柵，降低了對衍射型器件的加工難度。


圖1為本發(fā)明折射式望遠(yuǎn)鏡裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為本發(fā)明反射式望遠(yuǎn)鏡裝置結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為現(xiàn)有技術(shù)中望遠(yuǎn)單元直接觀測結(jié)果；圖4為本發(fā)明望遠(yuǎn)單元直接觀測結(jié)果；其中附圖標(biāo)記為:1-第一光柵，2-第一透鏡，3-第二透鏡，4-第二光柵，5-第三透鏡，6-CXD或CMOS相機(jī)，7-第一反射鏡，8-第二反射鏡，9-第四透鏡。
具體實(shí)施方式
如圖1所示:第一光柵I和第二光柵4為具有較大折光度的互補(bǔ)衍射光柵，可以在可見光范圍內(nèi)無色差地收集成像光束，遠(yuǎn)處物體發(fā)出的成像光束被第一光柵I衍射收集；第一光柵I經(jīng)過第一透鏡2和第二透鏡3組成的望遠(yuǎn)單元成像，其中第一透鏡2和第二透鏡3均為鍍有增透膜的消色差透鏡，通過合理參數(shù)選擇使之構(gòu)成具有高成像質(zhì)量的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)；在第一光柵I的像面處垂直光軸放置一個(gè)與第一光柵I有相同矢量方向的第二光柵4且第二光柵4的周期A2和第一光柵I的周期A1滿足以下關(guān)系=A1=A2^r,其中Γ是望遠(yuǎn)單元的視放大率；成像光束經(jīng)過第二光柵4衍射后通過第三透鏡5成像，最終，被觀測物體的像被位于第三透鏡5成像面上的具有合適灰度階、像素尺寸和像素?cái)?shù)量，用于記錄圖像的CXD或CMOS相機(jī)6所接收。根據(jù)瑞利公式，第一透鏡2和第二透鏡3構(gòu)成的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的極限分辨率為:
c 1.222c\ = —— (I)
Μ)其中，λ表示照明光波的波長，Dtl表示第一透鏡2的有效口徑。為了提高分辨率，加入由第一光柵I和第二光柵4組成的光線收集單元。為了提高光能利用率，第一光柵I和第二光柵4均選用相位閃耀光柵。整個(gè)系統(tǒng)以光軸為中心左右對稱，為了簡便，這里以右半部分光束為例進(jìn)行分析。由于被觀測物體通常距離望遠(yuǎn)鏡主鏡很遠(yuǎn)，物體的成像光線可以認(rèn)為是平行入射到第一光柵I上。假設(shè)將入射第一光柵I的成像光束的入射角為妁經(jīng)過第一光柵I衍射后，根據(jù)光柵衍射公式可知，物光的I級(jí)衍射光O1的衍射角為:O = arcsin(sin φι -^/A1)⑵如圖1所示，透過第一光柵I的衍射光作為入射光經(jīng)過第一透鏡2和第二透鏡3組成的望遠(yuǎn)單元。在望遠(yuǎn)單元后第一光柵I的像面上放置有相同矢量方向的第二光柵4。由于望遠(yuǎn)單元的角放大特性，使得O1入射到第二光柵4時(shí)的入射角為:φ2 = arctan(r tan 6*)⑶為了保證整個(gè)系統(tǒng)的望遠(yuǎn)功能，根據(jù)光柵衍射方程，第二光柵周期A2和第一光柵周期A1需滿足以下關(guān)系=A1=A2.Γ。經(jīng)過第二光柵4衍射后的物光通過第三透鏡5最終成像在CXD或CMOS相機(jī)6上。根據(jù)幾何光學(xué)可知，經(jīng)過兩個(gè)光柵衍射后整個(gè)系統(tǒng)的有效口徑，即第一光柵I的有效口徑D為:D=D0+2d | tan θ | (4)將(4)式代入分辨率公式(I)式可知，此時(shí)整個(gè)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的最高空間分辨率可以達(dá)到:
^ _ 1.22/1 _ δ0 、 Jfl( -1) -1 + 2i/|tanΘ/Ο0 — I + 2(U；(A；/.)()) (5)從(5)式可以看出，當(dāng)加入光線收集單元后，可以在不改變望遠(yuǎn)單元結(jié)構(gòu)的情況下增大整個(gè)望遠(yuǎn)鏡的有效口徑，從而提高觀測分辨率。分辨率的提高程度決定于光柵的參數(shù)A1和光柵至第一透鏡之間的距離d，最高可以提高到未加光線收集單元之前的l+2cU/(A1D0)倍。同時(shí)，大口徑衍射光柵將原本無法收集的成像光束重新收集起來，增大了望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的光通量。圖1所示光路為折射式望遠(yuǎn)鏡裝置，雖然結(jié)構(gòu)簡單但占空間稍大。為了減小裝置的體積，依據(jù)與圖1同樣的原理還可以設(shè)計(jì)另外一種如圖2所示，利用第一反射鏡7和第二反射鏡8代替第一透鏡2和第二透鏡3的反射式望遠(yuǎn)鏡裝置。以國標(biāo)分辨率板作為待測目標(biāo)。使用白光作為照明光源，對應(yīng)中心波長為550nm。第一光柵I和第二光柵4選用一維Ronchi相位光柵,有效光柵面積均為15mmX25mm。第一光柵周期A1=SOym,第二光柵周期Λ2=15μπι.。第一透鏡2焦距為300mm，第二透鏡3焦距為75mm,第三透鏡5焦距為150mm。所有透鏡均為消色差透鏡。目標(biāo)距離第一透鏡2400mm。第一透鏡2后面有一大小為5_X5_的孔徑光闌。當(dāng)移開第一光柵I與第二光柵4后,第一透鏡2與第二透鏡3構(gòu)成的望遠(yuǎn)系統(tǒng)在豎直方向上的有效口徑為5_，此時(shí)望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)觀測結(jié)果如圖3所示。當(dāng)系統(tǒng)加入第一光柵I與第二光柵4后，觀測結(jié)果如圖4所示?？梢钥吹?，垂直方向分辨率有明顯提高`。需要指出的是，實(shí)施例中使用的只是一維衍射光柵，只能提高單一方向上的分辨率。如果改為二維光柵或者環(huán)形等周期衍射光柵，則能同時(shí)提高兩個(gè)方向或所有方向上的分辨率。綜上所述:在一般的望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)中加入由第一光柵I和第二光柵4組成的光線收集單元可以在不改變望遠(yuǎn)鏡單元結(jié)構(gòu)的情況下增大望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的有效口徑，從而提高望遠(yuǎn)鏡的分辨率。相比直接增大望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的有效口徑，增大光柵面積不會(huì)影響光柵厚度分布，重量輕，加工成本低。
權(quán)利要求
1.一種基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置，包括光線收集單元、望遠(yuǎn)單元和成像單元; 所述望遠(yuǎn)單元包括第一透鏡(2 )和第二透鏡(3 )，第一透鏡(2 )與第二透鏡(3 )共焦；所述成像單元包括由第三透鏡(5)以及設(shè)置于第三透鏡(5)成像面上的CXD或CMOS相機(jī)(6)； 其特征在于:所述光線收集單元包括光柵矢量方向相互平行的第一光柵(I)和第二光柵(4)，其中第一光柵(I)設(shè)置于第一透鏡(2)前方,第二光柵(4)設(shè)置于第二透鏡(3)后方、第一光柵(I)的像面處； 所述第一光柵(I)的有效口徑D滿足:D=DQ+2d |tan0 |，其中:DQ表示第一透鏡(2)的有效口徑，d表示第一光柵(I)到第一透鏡(2)之間的距離，Θ表示第一光柵(I)的一級(jí)衍射角； 所述第二光柵(4)的周期A2和第一光柵(I)的周期A1滿足以下關(guān)系=A1=A2.Γ，其中Γ為所述望遠(yuǎn)單元的視放大率。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置，其特征在于:所述第一光柵(I)是相位型光柵或振幅型光柵，所述第二光柵(4)是相位型光柵或振幅型光柵。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置，其特征在于:所述第一光柵(I)是相位閃耀光柵或相位階為η的二進(jìn)制相位光柵，所述第二光柵(4)是相位閃耀光柵或相位階為π的二進(jìn)制相位光柵。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置，其特征在于:所述第一光柵(I)是環(huán)形等周期衍射光柵，所述第二光柵(4)是環(huán)形等周期衍射光柵。
5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一所述的基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置，其特征在于:第一透鏡(2)和第二透鏡(3)均為鍍有增透膜的消色差透鏡。
6.一種基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置，包括光線收集單元、望遠(yuǎn)單元和成像單元; 所述望遠(yuǎn)單元包括依次設(shè)置的第一反射鏡(7)、第二反射鏡(8)和第四透鏡(9);第二反射鏡(8)的中部為透光區(qū)、外環(huán)為反射區(qū)，入射光線經(jīng)第二反射鏡(8)的反射區(qū)反射至第一反射鏡(7)，再次向第二反射鏡(8)反射，并透過第二反射鏡(8)的透光區(qū)至第四透鏡(9)； 所述成像單元包括由第三透鏡(5)以及設(shè)置于第三透鏡(5)成像面上的CXD或CMOS相機(jī)(6)； 其特征在于: 所述光線收集單元包括光柵矢量方向相互平行的第一光柵(I)和第二光柵(4)，其中第一光柵(I)設(shè)置在第一反射鏡(7)前方，第二光柵(4)設(shè)置在第四透鏡(9)后方、第一光柵(I)的像面處； 所述第一光柵(I)的有效口徑D滿足:D=DQ+2d |tan0 |，其中:DQ表示第二反射鏡(8)的有效口徑，d表示第一光柵(I)到第二反射鏡(8)之間的距離，Θ表示第一光柵(I)的一級(jí)衍射角； 所述第二光柵(4)的周期A2 和第一光柵(I)的周期A1滿足以下關(guān)系=A1=A2.Γ，其中Γ為所述望遠(yuǎn)單元的視放大率。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置，其特征在于:所述第一光柵(I)是相位型光柵或振幅型光柵，所述第二光柵(4)是相位型光柵或振幅型光柵。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置，其特征在于:所述第一光柵(I)是相位閃耀光柵或相位階為η的二進(jìn)制相位光柵，所述第二光柵(4)是相位閃耀光柵或相位階為π的二進(jìn)制相位光柵。
9.根據(jù)權(quán)利要求7所述的基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置，其特征在于:所述第一光柵(I)是環(huán)形等周期衍射光柵，所述第二光柵(4)是環(huán)形等周期衍射光柵。
10.根據(jù)權(quán)利要求6至9任一所述的基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置所述的基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)裝置，其特征在于:第三透鏡(5)和第四透鏡(9)均為鍍有增透膜的消色差透鏡；第一反 射鏡(7)為雙曲面，第二反射鏡(8)為拋物面且中部透光區(qū)域?yàn)橥住?br> 全文摘要
本發(fā)明提供一種基于光柵衍射的大口徑望遠(yuǎn)鏡裝置，包括光線收集單元、望遠(yuǎn)單元和成像單元。光線收集單元包括光柵矢量方向相互平行的第一光柵和第二光柵，其中第一光柵設(shè)置于第一透鏡前方，第二光柵設(shè)置于第二透鏡后方、第一光柵的像面處；第一光柵的有效口徑D滿足D=D0+2d|tanθ|，其中D0表示第一透鏡的有效口徑，d表示第一光柵到第一透鏡之間的距離，θ表示第一光柵的一級(jí)衍射角；第二光柵的周期Λ2和第一光柵的周期Λ1滿足以下關(guān)系Λ1=Λ2·Γ，其中Γ為所述望遠(yuǎn)單元的視放大率。本發(fā)明中的光線收集單元將原本無法入射望遠(yuǎn)單元的光線收集起來，擴(kuò)大了系統(tǒng)的有效口徑，提高了望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)的分辨率。
文檔編號(hào)G02B17/08GK103235409SQ20131015385
公開日2013年8月7日 申請日期2013年4月27日 優(yōu)先權(quán)日2013年4月27日
發(fā)明者閔俊偉, 姚保利, 郜鵬, 雷銘, 楊延龍, 嚴(yán)紹輝, 但旦 申請人:中國科學(xué)院西安光學(xué)精密機(jī)械研究所