專利名稱：一種星載差分吸收光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于一種光學(xué)測量方法領(lǐng)域，具體的是一種收集、匯聚地表及天空紫外散射光的差分吸收光譜儀的前置光學(xué)系統(tǒng)，主要應(yīng)用于星載或機(jī)載的差分吸收光譜儀。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外常用的前置光學(xué)系統(tǒng)分別是離軸非球面三反射鏡系統(tǒng)(TMA)、卡式折反射系統(tǒng)和短焦距折射式光學(xué)系統(tǒng)?？ㄊ较到y(tǒng)技術(shù)比較成熟，由兩個(gè)同軸非球面和折射場鏡組成，但有中心遮攔，分辨力稍低，雜光較大，需要加外遮光罩；TMA系統(tǒng)是近些年發(fā)展的新型光學(xué)系統(tǒng)，由3塊非球面反射鏡組成，無中心遮攔，分辨率搞，但加工和裝調(diào)比較難；折射式系統(tǒng)主要用于推掃式機(jī)載高光譜成像儀，但這樣的系統(tǒng)不太適用于寬波段系統(tǒng)，尤其是所測波段包括紫外波段，受紫外玻璃材料限制，優(yōu)先考慮反射式結(jié)構(gòu)。紫外到可見光Q40 790nm)波段的前置光學(xué)系統(tǒng)，采用反射系統(tǒng)是最可行且經(jīng)濟(jì)的方案。但是，一般的同軸反射系統(tǒng)有兩個(gè)較大的不足一是有不可避免的中心遮攔；二是像質(zhì)優(yōu)良的視場較小。TMA三反鏡系統(tǒng)視場也相對較小，且由于是非球面鏡組成，加工和裝調(diào)都不易。因此，目前的前置光學(xué)系統(tǒng)的視場過小，整體光學(xué)系統(tǒng)體積偏大，后續(xù)成像光譜儀的排布不合理等狀況。前置光學(xué)系統(tǒng)是星載差分吸收光譜儀的關(guān)鍵部分，為了滿足大視場角、高分辨、無偏振效應(yīng)等技術(shù)要求，必須對現(xiàn)有的前置光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的技術(shù)解決問題克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種星載差分吸收光譜儀的前置光學(xué)系統(tǒng)，解決前置光學(xué)系統(tǒng)的視場過小，整體光學(xué)系統(tǒng)體積偏大問題。本發(fā)明的技術(shù)解決方案一種星載差分吸收光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)，所述光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置有入瞳光欄，在入瞳光欄的后續(xù)光路上依次設(shè)置有望遠(yuǎn)鏡主鏡、擾偏器、孔徑光欄、望遠(yuǎn)鏡次鏡、視場光闌和中繼反射鏡及作為前置光學(xué)系統(tǒng)焦面的光譜儀入射狹縫；望遠(yuǎn)鏡主鏡和望遠(yuǎn)鏡次鏡組成像方遠(yuǎn)心光路；孔徑光欄設(shè)置在望遠(yuǎn)鏡次鏡的物方焦點(diǎn)處，孔徑光欄前放置擾偏器；目標(biāo)物的輻射光通過入瞳光欄到前置望遠(yuǎn)鏡主鏡上，經(jīng)擾偏器到孔徑光欄， 通過孔徑光欄到前置望遠(yuǎn)鏡次鏡上，再匯聚到視場光闌處后反射到中繼反射鏡，最后由中繼反射鏡聚焦到光譜儀入射狹縫處；所述望遠(yuǎn)鏡主鏡、望遠(yuǎn)鏡次鏡及中繼反射鏡均為凹面反射鏡構(gòu)成，且所述望遠(yuǎn)鏡主鏡、望遠(yuǎn)鏡次鏡及中繼反射鏡均為偏軸放置。所述望遠(yuǎn)鏡主鏡、望遠(yuǎn)鏡次鏡及中繼反射鏡偏軸放置時(shí)的偏軸角度分別為 4°、-6°、5°。遠(yuǎn)鏡主鏡、望遠(yuǎn)鏡次鏡可以為球面鏡，也可以為非球面鏡。望遠(yuǎn)鏡主鏡、望遠(yuǎn)鏡次鏡及中繼反射鏡采用相同的材料，均為微晶玻璃材料(krodur)制成，鏡面鍍鋁膜， 鋁膜帶寬為240nm 790nm。所述擾偏器為空間偽消偏器，使用擾偏器使光譜儀的光柵、分色片等器件對偏振不會(huì)太敏感，從而減少測量誤差。
本發(fā)明的原理本發(fā)明的前置望遠(yuǎn)鏡采用了偏軸系統(tǒng)，即中心視場主光線與鏡面的對稱軸有一個(gè)夾角的光學(xué)系統(tǒng)，鏡面在偏軸狀態(tài)往往要引起很大的像差，這時(shí)必須靠副鏡加以矯正，以達(dá)到在一定視場內(nèi)有足夠優(yōu)良的像質(zhì)。同時(shí)引入第三塊中繼反射鏡改變光路排布，改善中繼光路成像效果。在這里強(qiáng)調(diào)一下，本發(fā)明前置光學(xué)系統(tǒng)的第三塊中繼反射鏡起到了關(guān)鍵的作用，不僅將通過前置望遠(yuǎn)鏡聚焦到狹縫后形成的發(fā)散光束變成匯聚光束，為后續(xù)的中繼鏡頭優(yōu)化帶來方便，同時(shí)本身也參與了后繼光路的中繼鏡頭優(yōu)化，中繼鏡頭設(shè)計(jì)可以較為簡單就能達(dá)到使用要求。另外，中繼反射鏡還起到了光路轉(zhuǎn)向作用，這里的中繼反射鏡也是偏軸設(shè)計(jì)考慮，這里是偏軸5°。從而整個(gè)前置光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)較為緊湊，整體體積小，采用都是純反射系統(tǒng)無色差，滿足星載光譜儀系統(tǒng)的使用要求。本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比的優(yōu)點(diǎn)在于(1)本發(fā)明主要由前置望遠(yuǎn)鏡和中繼反射鏡組成，前置望遠(yuǎn)鏡又由望遠(yuǎn)鏡主鏡和望遠(yuǎn)鏡次鏡組成，且望遠(yuǎn)鏡主、次鏡以及中繼反射鏡均是偏軸設(shè)計(jì)，偏軸角度依次為 4°、-6°、5°，目標(biāo)物的輻射光通過入瞳光欄照射到前置望遠(yuǎn)鏡的主鏡上，光束反射經(jīng)擾偏器通過孔徑光欄到前置望遠(yuǎn)鏡副鏡上，接著經(jīng)過狹縫再反射到中繼反射鏡上，最后由中繼反射鏡聚焦到光譜儀入射狹縫處，這樣通過控制光闌位置和偏軸角度來實(shí)現(xiàn)兩鏡的寬視場望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，從而解決了前置光學(xué)系統(tǒng)的視場過小的問題。(2)本發(fā)明采用中繼反射鏡和前置望遠(yuǎn)鏡的連接使得整體的光學(xué)系統(tǒng)大為縮小， 整個(gè)光學(xué)體積緊湊，無色差，能滿足大視場需求，可以適應(yīng)星載和機(jī)載的不同需求。(3)本發(fā)明的鏡面數(shù)少、輻射能量利用效率高，工作光譜范圍寬，無色差校正，從而提高了測量的準(zhǔn)確性和整個(gè)系統(tǒng)的探測分辨率。(4)此外，本發(fā)明中的中繼反射鏡和前置望遠(yuǎn)鏡選用結(jié)構(gòu)性能和熱性能都較好的微晶玻璃材料(krodur)，表面鍍鋁加氧化硅保護(hù)膜確保儀器工作光譜范圍都有90%以上的反射率。(5)本發(fā)明采用擾偏器，使光譜儀的光柵、分色片等器件對偏振不會(huì)太敏感，從而減少了測量誤差。(6)通過本發(fā)明前置望遠(yuǎn)鏡的MTF傳遞函數(shù)發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明在一定的空間頻率范圍內(nèi)具有良好的分辨率和對比度，滿足成像光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)的需求。前置望遠(yuǎn)鏡在 114x0. 5度的大視場范圍內(nèi)，狹縫處成像的彌散斑的均方根值在80 μ m以內(nèi)。焦平面上相對照明變化情況顯示出視場邊緣的相對照明(或相對照度)相當(dāng)于視場中心的0. 95以上，由此可見照明均勻性非常好。


圖1為本發(fā)明前置望遠(yuǎn)鏡光學(xué)系統(tǒng)圖；圖2為本發(fā)明星載差分吸收光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)圖。
具體實(shí)施例方式星載大氣痕量氣體差分吸收光譜儀的光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)不僅要考慮工作波長范圍、性能、體積和質(zhì)量等問題，還要考慮空間應(yīng)用環(huán)境下系統(tǒng)的工作穩(wěn)定性問題。因此本發(fā)明的前置光學(xué)系統(tǒng)采用反射式系統(tǒng)較佳。
如圖1、2所示，本發(fā)明的星載差分吸收光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置入瞳光欄1，入瞳光欄1的后續(xù)光路上依次設(shè)置有望遠(yuǎn)鏡主鏡2、擾偏器3、孔徑光欄4、望遠(yuǎn)鏡次鏡5、視場光闌6和中繼反射鏡7以及光譜儀入射狹縫8 (前置光學(xué)系統(tǒng)焦面)。其中望遠(yuǎn)鏡主鏡2和望遠(yuǎn)鏡次鏡5組成像方遠(yuǎn)心光路；孔徑光欄4設(shè)置在望遠(yuǎn)鏡次鏡5的物方焦點(diǎn)處，孔徑光欄4 前放置擾偏器3。目標(biāo)物的輻射光通過入瞳光欄1到前置望遠(yuǎn)鏡主鏡2上，經(jīng)擾偏器3到孔徑光欄4，通過孔徑光欄4到前置望遠(yuǎn)鏡次鏡5上，再匯聚到視場光闌6處后反射到中繼反射鏡7，最后由中繼反射鏡7聚焦到光譜儀入射狹縫8處。本發(fā)明中的望遠(yuǎn)鏡主鏡2、望遠(yuǎn)鏡次鏡5以及中繼反射鏡7均是凹面反射鏡組成， 本發(fā)明中的望遠(yuǎn)鏡主鏡2、望遠(yuǎn)鏡次鏡5以及中繼反射鏡7均是球面鏡設(shè)計(jì)，也可以為非球面設(shè)計(jì)，為了裝調(diào)方便，本實(shí)施例選用球面鏡設(shè)計(jì)。這三塊反射鏡，即望遠(yuǎn)鏡主鏡2、望遠(yuǎn)鏡次鏡5以及中繼反射鏡7均是偏軸放置，分別依次偏軸角度為4°、-6°、5°。其中主光線入瞳直徑1. 6mm，聚焦到長度)x0. 2mm(寬度)。望遠(yuǎn)鏡主鏡2、望遠(yuǎn)鏡次鏡5均為長條形的，F(xiàn)數(shù)為9?？紤]到前置望遠(yuǎn)鏡的體積不能大，望遠(yuǎn)鏡主鏡在大視場114°方向的直徑為 Φ 120mm，小視場0.5°方向的通光孔徑很小(Φ IOmm以內(nèi))，因此望遠(yuǎn)鏡的尺寸不大，呈長條形(120mmX20mm)。望遠(yuǎn)鏡次鏡的直徑不到Φ30mm，前置望遠(yuǎn)鏡輕量化率要求不高，同時(shí)考慮到工作環(huán)境又是在超低溫環(huán)境下，最終通過反復(fù)試驗(yàn)選擇三塊反射鏡的材料均為微晶玻璃材料Gerodur)，每個(gè)鏡面鍍鋁膜，鋁膜帶寬為MOnm 790nm。三塊反射鏡的厚度根據(jù)鏡子的直徑及曲率大小來確定相應(yīng)的厚度，本發(fā)明的望遠(yuǎn)鏡主鏡中心厚度為20mm、次鏡中心厚度為7mm、中繼反射鏡中心厚度為16mm?？讖焦鈾诳紤]做成擋光材料，如用拋光度較高、帶錐度的鋁制作加工的光闌，且表面做發(fā)黑處理。
權(quán)利要求
1.一種星載差分吸收光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述光學(xué)系統(tǒng)設(shè)置有入瞳光欄(1)，在入瞳光欄(1)的后續(xù)光路上依次設(shè)置有望遠(yuǎn)鏡主鏡O)、擾偏器(3)、孔徑光欄 G)、望遠(yuǎn)鏡次鏡(5)、視場光闌(6)和中繼反射鏡(7)及作為前置光學(xué)系統(tǒng)焦面的光譜儀入射狹縫(8)；望遠(yuǎn)鏡主鏡( 和望遠(yuǎn)鏡次鏡( 組成像方遠(yuǎn)心光路；孔徑光欄(4)設(shè)置在望遠(yuǎn)鏡次鏡( 的物方焦點(diǎn)處，孔徑光欄(4)前放置擾偏器(3)；目標(biāo)物的輻射光通過入瞳光欄(1)到前置望遠(yuǎn)鏡主鏡( 上，經(jīng)擾偏器C3)到孔徑光欄G)，通過孔徑光欄(4)到前置望遠(yuǎn)鏡次鏡(5)上，再匯聚到視場光闌(6)處后反射到中繼反射鏡(7)，最后由中繼反射鏡(7)聚焦到光譜儀入射狹縫(8)處；所述望遠(yuǎn)鏡主鏡O)、望遠(yuǎn)鏡次鏡( 及中繼反射鏡 (7)均為凹面反射鏡構(gòu)成，且所述望遠(yuǎn)鏡主鏡O)、望遠(yuǎn)鏡次鏡(5)及中繼反射鏡(7)均為偏軸放置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載差分吸收光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述望遠(yuǎn)鏡主鏡O)、望遠(yuǎn)鏡次鏡( 及中繼反射鏡(7)偏軸放置時(shí)的偏軸角度分別為4°、-6°、 5°。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載差分吸收光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述擾偏器(3)為空間偽消偏器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載差分吸收光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述望遠(yuǎn)鏡主鏡O)、望遠(yuǎn)鏡次鏡( 為球面鏡或非球面鏡。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載差分吸收光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述望遠(yuǎn)鏡主鏡( 、望遠(yuǎn)鏡次鏡( 及中繼反射鏡(7)采用相同的材料制成，鏡面鍍鋁膜，鋁膜帶寬為 240nm 790nm。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的星載差分吸收光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述材料均為微晶玻璃材料krodur。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的星載差分吸收光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)，其特征在于所述孔徑光欄(4)為擋光材料構(gòu)成。
全文摘要
一種星載差分吸收光譜儀前置光學(xué)系統(tǒng)，由前置望遠(yuǎn)鏡和中繼反射鏡組成，前置望遠(yuǎn)鏡又由主鏡和次鏡組成，且望遠(yuǎn)鏡主、次鏡以及中繼反射鏡均是偏軸設(shè)計(jì)，偏軸角度依次為4°、-6°、5°；目標(biāo)物的輻射光通過入瞳光欄照射到主鏡上，光束反射經(jīng)擾偏器通過孔徑光欄到前置望遠(yuǎn)鏡次鏡上，接著經(jīng)過狹縫再反射到中繼反射鏡上，最后由中繼反射鏡聚焦到光譜儀入射狹縫處；通過控制光闌位置和偏軸角度來實(shí)現(xiàn)兩鏡的寬視場望遠(yuǎn)鏡系統(tǒng)，本發(fā)明鏡面數(shù)少、輻射能量利用效率高，工作光譜范圍寬，無色差校正，提高了測量的準(zhǔn)確性和整個(gè)系統(tǒng)的探測分辨率，且整個(gè)光學(xué)體積緊湊，為后繼光學(xué)系統(tǒng)帶來較大方便。
文檔編號G02B17/06GK102252756SQ201110112708
公開日2011年11月23日 申請日期2011年5月3日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月3日
發(fā)明者劉建國, 劉文清, 司福祺, 江宇, 江慶五, 相連欽, 薛輝, 謝品華 申請人:中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院