專利名稱：一種用于遙感儀器光譜定標(biāo)的耦合四反射光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元件系統(tǒng)，具體是指一種用于遙感儀器光譜定標(biāo)的耦合四反射光學(xué)系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
在光學(xué)遙感儀器的光譜定標(biāo)時(shí)，需要使用單色儀輸出光譜作遙感儀器的定標(biāo)光譜源。由于單色儀的輸出光譜是經(jīng)其出射狹縫輸出的，光束是發(fā)散的，為了將其耦合到被定標(biāo)的遙感儀器中去，通常需要一個(gè)擴(kuò)束準(zhǔn)直的光學(xué)系統(tǒng)來耦合。傳統(tǒng)的單色儀，有的沒有擴(kuò)束準(zhǔn)直的耦合光學(xué)系統(tǒng)，有的僅用一個(gè)透鏡將單色儀出射狹縫輸出的光束耦合到被定標(biāo)的光學(xué)遙感儀器中。這種單耦合透鏡往往選用寬透過波段的如硫化鋅或硒化鋅材料制造，硫化鋅耦合透鏡的工作波段約為0.42μm-12.5μm，硒化鋅耦合透鏡的工作波段約為0.5μm-14μm。這兩種耦合透鏡在如此寬的波段范圍內(nèi)其折射率的變化是較大的，也就意味著色差比較大。通常人們認(rèn)為在相對光譜定標(biāo)時(shí)，定標(biāo)用光學(xué)系統(tǒng)有色差或其他像差不會(huì)影響定標(biāo)精度。而實(shí)際定標(biāo)用的光學(xué)系統(tǒng)有色差或其他像差，將會(huì)影響被定標(biāo)的光學(xué)遙感儀器像面上的光能分布，這樣探測器接受到的光能就可能有大小，因而也就影響了定標(biāo)精度，尤其是線陣與面陣探測器較單元探測器影響大的多。
采用硫化鋅或硒化鋅作耦合透鏡的另一個(gè)問題是由于材料的直徑做不大，因此透鏡的直徑也不可能做大，這樣經(jīng)透鏡耦合的光束無法充滿遙感儀器的光學(xué)口徑。通常人們認(rèn)為在相對光譜定標(biāo)時(shí)，光束可以不充滿遙感儀器的光學(xué)口徑，不會(huì)影響定標(biāo)的精度，其實(shí)不同波長的光線在不同的折反射角情況下的效率是不同的，所有只有在光束充滿遙感儀器的光學(xué)口徑的情況下才不影響定標(biāo)精度。對于成像光譜儀，其定標(biāo)精度與光柵上參于的刻槽的條數(shù)，即相當(dāng)于參加干涉的狹縫數(shù)有關(guān)，也就是與光束在光柵上的大小有關(guān)，這就意味著成像光譜儀的光譜定標(biāo)也要求光束充滿其光學(xué)口徑。我國的風(fēng)云一號氣象衛(wèi)星與海洋衛(wèi)星的光學(xué)口徑達(dá)到200mm，風(fēng)云二號氣象衛(wèi)星的光學(xué)口徑則更大，達(dá)到400mm。由單色儀附帶的硫化鋅或硒化鋅材料制造的單透鏡，其口徑通常只有數(shù)十毫米，即使能夠獲得大口徑的硫化鋅或硒化鋅材料，也還存在色差。
如果采用雙反射式的耦合光學(xué)系統(tǒng)，由于它只有兩個(gè)曲率半徑與一個(gè)面間距共三個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)參于耦合，將是無法同時(shí)滿足遙感儀器擋光要求與單色儀的數(shù)值孔徑的匹配要求的。
技術(shù)方案基于上述已有技術(shù)存在的問題，本發(fā)明目的是提供一種能充滿遙感儀器光學(xué)口徑，并且無色差地將單色儀的輸出光譜耦合到被定標(biāo)的遙感儀器中的四反射光學(xué)系統(tǒng)。該系統(tǒng)可用于紫外、可見光及紅外所有波段。
本發(fā)明的四反射光學(xué)系統(tǒng)如圖1所示，光學(xué)系統(tǒng)從物方至像方按順序由凸球面反射鏡1、凹球面反射鏡2構(gòu)成一個(gè)球面雙反射系統(tǒng)，凹拋物面主反射鏡3、凸拋物面次反射鏡4構(gòu)成一個(gè)無焦雙反射系統(tǒng)，兩個(gè)雙反射系統(tǒng)用平行光連接，成為一個(gè)四反射光學(xué)系統(tǒng)，兩個(gè)雙反射系統(tǒng)之間無間距要求。
來自物方的經(jīng)單色儀的出射狹縫輸出的光束射向凹球面反射鏡2，經(jīng)其反射會(huì)聚至凸球面反射鏡1，由凸球面反射鏡1反射向凸拋物面次反射鏡4，再由凸拋物面次反射鏡4反射向凹拋物面主反射鏡3，在像方遙感儀器的入射光學(xué)口徑成像。
所說的無焦雙反射系統(tǒng)的凹拋物面主鏡3與凸拋物面次鏡4的非球面偏心率系數(shù)應(yīng)滿足如下關(guān)系式e42=e32=1,]]>式中e4為凸拋物面的偏心率，e3為凹拋物面的偏心率。
凹拋物面主鏡3的中心曲率半徑為R3＝β×R4，R4為凸拋物面次鏡4的中心曲率半徑，β為口徑放大率，β＝D3/D4，D3為凹拋物面主鏡3的口徑，D4為凸拋物面次鏡4的口徑。凹凸拋物面主次鏡3、4反射面間距為L3＝(R3-R4)/2。
四反射光學(xué)系統(tǒng)焦距f0＝D3/(1/F)。
球面雙反射系統(tǒng)焦距f＝f0/β。
所說的球面雙反射系統(tǒng)的凹球面鏡2的曲率半徑為R2＝(51/2+1)×f，凸球面鏡1的曲率半徑為R1＝(51/2-1)×f，凹凸二球面反射鏡2、1的反射面間距為L1＝2×f。
拋物面無焦雙反射系統(tǒng)與球面雙反射系統(tǒng)的間距L2在光學(xué)上沒有要求。
本發(fā)明的四反射光學(xué)系統(tǒng)的優(yōu)點(diǎn)是1.由于系統(tǒng)共有5個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)，可將單色儀與遙感儀器進(jìn)行最佳的光學(xué)匹配，輸出光束充滿遙感儀器的光學(xué)口徑。光學(xué)系統(tǒng)經(jīng)過像差優(yōu)化設(shè)計(jì)，在3mrad的視場內(nèi)能夠精確成像。在1.5mrad的視場內(nèi)成像質(zhì)量好，像面的光能分布與波長無關(guān)，光譜定標(biāo)的波段范圍寬、精度高。
2.四反射光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)都有解析解，設(shè)計(jì)方便，像質(zhì)優(yōu)良。
3.四反射光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單色儀與遙感儀器的最佳光學(xué)匹配，定標(biāo)光學(xué)系統(tǒng)的次鏡擋光可以小于遙感儀器的次鏡擋光，相對孔徑可以大于單色儀的相對孔徑。


圖1為本發(fā)明的四反射光學(xué)系統(tǒng)。
具體實(shí)施例方式
根據(jù)圖1的光學(xué)結(jié)構(gòu)，我們設(shè)計(jì)了一個(gè)耦合四反射光學(xué)系統(tǒng)，系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)如下單色儀5的相對孔徑1/F＝1∶4，遙感儀器的次鏡擋光為50左右。
現(xiàn)確定四反射光學(xué)系統(tǒng)的相對孔徑1/F＝1∶3.81；無焦雙反射系統(tǒng)的凹拋物面主鏡3與凸拋物面次鏡4的非球面偏心率系數(shù)為
e42=e32=1.]]>凹拋物面主鏡3的口徑D3＝210；凸拋物面次鏡4的口徑D4＝39.62；無焦雙反射系統(tǒng)的放大率β＝D3/D4＝5.3；凹拋物面主鏡3的中心曲率半徑R3＝517；凸拋物面次鏡4的中心曲率半徑R4＝R3/β＝97.547；四反射光學(xué)系統(tǒng)焦距f0＝D3/(1/F)＝210×3.81＝800；拋物面的主次鏡3、4反射面間距L3＝(R3-R4)/2＝209.73；球面雙反射系統(tǒng)焦距f＝f0/β＝800/5.25＝152.38；球面雙反射系統(tǒng)的凹球面鏡2的曲率半徑為R2＝(51/2+1)×f＝493.11；球面雙反射系統(tǒng)的凸球面鏡1的曲率半徑為R1＝(51/2-1)×f＝188.342；凹凸球面鏡2、1的面間距L1＝2×f＝304.76。
該光學(xué)系統(tǒng)的彌散斑直徑在3mrad內(nèi)小于2μm。MTF在截止頻率為40時(shí)是0.82。
權(quán)利要求
1.一種用于遙感儀器光譜定標(biāo)的耦合四反射光學(xué)系統(tǒng)，包括凸球面反射鏡(1)、凹球面反射鏡(2)、凹拋物面主反射鏡(3)、凸拋物面次反射鏡(4)，光學(xué)系統(tǒng)從物方至像方按順序由凸球面反射鏡(1)、凹球面反射鏡(2)構(gòu)成一個(gè)球面雙反射系統(tǒng)；凹拋物面主反射鏡(3)、凸拋物面次反射鏡(4)構(gòu)成一個(gè)無焦雙反射系統(tǒng)；兩個(gè)雙反射系統(tǒng)由平行光連接，構(gòu)成一個(gè)耦合四反射光學(xué)系統(tǒng)；來自物方的經(jīng)單色儀的出射狹縫輸出的光束射向凹球面反射鏡(2)，經(jīng)其反射會(huì)聚至凸球面反射鏡(1)，由凸球面反射鏡(1)反射向凸拋物面次反射鏡(4)，再由凸拋物面次反射鏡(4)反射向凹拋物面主反射鏡(3)，在像方遙感儀器的入射光學(xué)口徑成像；所說的無焦雙反射系統(tǒng)的凹拋物面主鏡(3)與凸拋物面次鏡(4)的非球面偏心率系數(shù)應(yīng)滿足如下關(guān)系式e42=e32=1,]]>式中e4為凸拋物面的偏心率，e3為凹拋物面的偏心率；凹拋物面主鏡(3)的中心曲率半徑為R3＝β×R4，R4為凸拋物面次鏡(4)的中心曲率半徑，β為口徑放大率，β＝D3/D4，D3為凹拋物面主鏡(3)的口徑，D4為凸拋物面次鏡(4)的口徑，凹凸拋物面主次鏡(3、4)反射面間距為L3＝(R3-R4)/2；四反射光學(xué)系統(tǒng)焦距f0＝D3/(1/F)；球面雙反射系統(tǒng)焦距f＝f0/β；所說的球面雙反射系統(tǒng)的凹球面鏡(2)的曲率半徑為R2＝(51/2+1)×f，凸球面鏡(1)的曲率半徑為R1＝(51/2-1)×f，凹凸二球面鏡(2、1)的反射面間距為L1＝2×f；拋物面無焦雙反射系統(tǒng)與球面雙反射系統(tǒng)的間距L2在光學(xué)上沒有要求。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種將單色儀輸出光譜耦合到遙感儀器的耦合四反射光學(xué)系統(tǒng)，該系統(tǒng)由球面雙反射系統(tǒng)和無焦雙反射系統(tǒng)構(gòu)成。球面雙反射系統(tǒng)由凸球面反射鏡凹球面反射鏡構(gòu)成。無焦雙反射系統(tǒng)構(gòu)成凹拋物面主反射鏡、凸拋物面次反射鏡構(gòu)成。兩個(gè)雙反射系統(tǒng)之間由平行光連接，無間距要求。本發(fā)明的四反射光學(xué)系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)單色儀與遙感儀器的最佳光學(xué)匹配，成像精確。在1.5mrad的視場內(nèi)成像質(zhì)量好，像面的光能分布與波長無關(guān)，光譜定標(biāo)的波段范圍寬、精度高。
文檔編號G01J3/12GK1540300SQ20031010834
公開日2004年10月27日 申請日期2003年10月31日 優(yōu)先權(quán)日2003年10月31日
發(fā)明者胥學(xué)榮, 黃小仙, 丁雷, 劉曉華 申請人:中國科學(xué)院上海技術(shù)物理研究所