基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计
星载高分辨力、大视场高光谱成像仪光学设计
Ｏ ｐ ｉａ ｓｇ ｆＳ ｃ ｂｏ ｎｅＨ ｉ ｈ Ｒｅ ｏ ｕｔｏ ｙ ｒ ｐｅ ｔ ａ ｔｃ ｌ Ｄｅ ｉ ｎ ｏ ｐａ ｅ ｒ ｇ ｓ ｌ ｉ ｎ Ｈ ｐｅ ｓ ｅ ｒ ｌ
Ｉ ａ ｅ ｓｗｉｈ Ｗ ｉ ｅ Ｆｉ ｌ ｆＶｉ ｗ ｍ ｇ ｒ ｔ ｄ ｅｄ ｏ ｅ
ｓ ｅ ｔ ｌｉ ｇ ｎ ｙ ｔｍ ． ｙ ｔ ｃｎ ， ｐ ｉ ｚ ｔ ｎ ａ ｄ ａ ａｙ ｉ ｇ ａ ｅ ｐ ｒｏ ｍｅ ｙ Ｃ ｐ ｃｒ ｍａ ｉ ｇ ｓ ｓ ａ ｅ Ｒａ ｒ ｉ ｇ ｏ ｔ ａ ｍｉａ ｉ ｎ ｎ ｌ ｚｎ ｒ ｅ ｆ ｒ ｄ ｂ ＯＤＥ Ｖ ｏ ｗ ａ ｅ Ｔｈ ａｙ ｅ ｏ ｓ ｆ ｒ． ｅ ａ ｌｚｄ ｔ ｎ
星 载 高分辨 力 、大视 场 高 光谱 成 像仪 光 学设计
薛庆 生
（中 国科 学 院 长 春 光学 精 密 机 械 与 物 理研 究所 ，长 春 １０ ３ ） ０３ ３
摘要：根据 高分辨力 、大视场 的要求 ，考虑到 市售探测器的限制，提 出了视场分 离分光的方法 ，分析 了视场分 离 分光的原理。利用此方法设计 了一个星载高分辨力 、大视 场高光谱成像仪光学系统，该 系统 由 １． ｏ 心离轴三 １ ２远 ４ 反 消像散（＾ ） Ｔ 望远系统和 ２个 Ｏ ｆｅ 凸面光栅光谱成像 系统组成 ， ｆ ｒ ｎ 运用光 学设计软件 Ｃ Ｄ Ｏ ＥＶ对 高光谱成像仪
０ 引 言
高光谱 成像 仪是 ２ ０世纪 ８ 代开始在 多光谱 遥感 成像技 术的 基础上 发展起 来的新 一代 空 间光 学遥感 ０年 仪 器 ，它是遥 感技术 的进步 和发 展 ，能够 以高光 谱分辨 力获取 景物 和 目标 的超 多谱 段图像 ， 陆地 、大气 、 在 和海洋 观测 中得到 了广泛 的应用 。高光谱 成像 仪的 工作波 段宽 、分 辨 力高 ，一 般覆 盖 ０ ～１ ｍ，地 ． ． ４ ０ 面像元 分辨 力从几米 至 几十米 ，光谱分 辨 力从 几纳米 至几 十纳米 。 目前 国 际上具有 代表性 的高光谱 成像 仪
利用Offner光学系统进行图像恢复和光学检测
利用Offner光学系统进行图像恢复和光学检测明名;吕天宇;邵亮;王斌【期刊名称】《中国光学》【年(卷),期】2012(005)006【摘要】Based on phase diversity technology, this paper designs an Offner optical system for image restora- tion and optical test of wavefront errors. The Offner optical system uses an on-axis parabolic mirror as Offner mirror, and a high speed CCD camera and a Shack-Hartmann wavefront sensor as the receivers to eliminate the chromatic aberration brought by the polychrome light source of the refractive system during image restoration. The system has a simple configuration with the wavefront error(RMS) less than A/50 (A = 632.8 nm). By u- sing the system to perform image restoration experiment for a resolution plate and a fiber source, the resolution of restorated system using tween phase image is improved by 19%. In addition, wavefront error test are performed with the Offner optical the phase diversity algorithm, and the result demonstrates that the wavefront sensor difference be- diversity and Shack-Hartmann is 5% , which proves that it is able to perform optical wavefront test with this Offner optical system.%设计了一种Offner光学系统，用于基于相位差异技术的图像恢复和光学系统波像差的辅助检测。
空间高光谱成像仪的光学设计_巩盾
Offner补偿器的结构设计与装调
Offner补偿器的结构设计与装调陈旭;刘伟奇;康玉思;冯睿;魏仲伦;柳华;苗二龙【摘要】针对90 nm节点光刻投影镜头中使用的非球面存在高次项,且与理想球面偏离量较大的特点,基于像差补偿理论,设计了一种三片式结构的Offner补偿器来实现非球面的高精度检测.采用等量轴向球差补偿非球面各阶系数的方法,主动引入一定量的轴向球差,补偿光线在非球面法线方向的偏离量.结果表明,初级像差和高级像差可很好地平衡,使剩余像差很小;MTF 远远超过衍射极限;系统工作波长为632.8 nm,F数为1.64,均方波差RMS<λ/1 250;系统轴向像差＜0.47 μm,满足基本干涉成像条件;各方面指标均满足高精度检测补偿器的设计要求.最后,根据现有检测装置的精度对所设计的结果进行了公差分析,给出了较宽松的公差容限.公差分配后,系统综合残余波像差＜0.007 27λ,满足系统装调精度要求.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2010(018)001【总页数】6页(P88-93)【关键词】非球面检测;Offner补偿器;公差分配【作者】陈旭;刘伟奇;康玉思;冯睿;魏仲伦;柳华;苗二龙【作者单位】中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,吉林,长春,130033;中国科学院,研究生院,北京,100039;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,吉林,长春,130033;中国科学院,长春光学精密机械与物理研究所,应用光学国家重点实验室,吉林,长春,130033【正文语种】中文【中图分类】TH703非球面镜是深紫外投影光刻物镜组的重要组成部分,承担着消除部分高级像差,增大系统数值孔径和减少透镜片数以增大像面照度的重要作用,而其面形质量也是影响整个系统性能的重要因素。
基于光场调制技术的光学成像系统设计与优化
基于光场调制技术的光学成像系统设计与优化随着科技的不断发展，光学成像技术的应用越来越广泛。
在日常生活中，人们用到的相机、望远镜、显微镜等都是基于光学成像技术的产品。
而在科研领域中，光学成像技术不仅被用于研究生物、物理、化学等领域，还被用于制造高精度光学元件。
针对不同的应用场景，人们不断尝试使用各种技术改进和优化光学成像系统。
本文将探讨基于光场调制技术的光学成像系统设计与优化。
一、光学成像系统的构成光学成像系统由光源、物体、成像透镜和像平面所构成。
光源发出的光线通过物体后，受到透镜的聚焦，最终在像平面上形成物体的几何像。
其中，透镜是整个系统中最重要的组件之一，它的质量对于光学成像的分辨率、畸变、噪声等参数有着重要的影响。
二、光场调制技术的由来在某些场景下，传统的光学成像系统无法满足研究者的需求。
例如，在显微成像领域中，为了拍摄嫩芽、细胞、纳米颗粒等微小物体的图像，需要提高成像系统的分辨率。
而对于超广角摄像机而言，如何在摄像范围内提升成像清晰度也是亟待解决的难题。
光场调制技术就是在这样的背景下被提出的。
该技术主要是通过控制光波的相位和振幅，在成像平面上编码出光场的信息。
与传统光学成像系统不同的是，光场调制技术强调的是“编码”而不是“成像”。
将物体的光场信息直接编码到成像平面上，可以提高成像的分辨率、深度范围和光学变换的自由度。
三、基于DMD的光场调制技术在众多光场调制技术中，基于DMD（数字微镜器件）的技术是目前应用最广泛的一种。
DMD是由许多微小的可移动反射镜组成，当反射镜倾斜时，可将光线反射到不同的位置。
其原理就是通过控制每个镜子的倾斜角度，调节每个像素的相位和振幅，以达到对光场的编码。
在基于DMD的光场调制系统中，光源发出的光线经过透镜后，通过DMD的反射镜进行调制，最终在成像平面上形成物体的几何影像。
相比传统成像系统，该系统具备了较高的光学分辨率、较大的深度范围、可控的光学变换等优点。
四、光场调制技术的优点和局限性在介绍光场调制技术的同时，我们也需要了解其优点和局限性。
高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计
航天返回与遥感第42卷第1期92SPACECRAFT RECOVERY & REMOTE SENSING2021年2月高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计王保华李可唐绍凡张秀茜王媛媛（北京空间机电研究所，北京 100094）摘要针对高空间分辨率、高光谱分辨率和大幅宽成像的遥感应用需求，提出了高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪技术方案，分析确定了成像光谱仪光学系统指标，设计了空间成像光学系统和光谱成像光学系统。
空间成像光学系统采用自由曲面离轴三反设计方案，实现了大视场、大相对孔径像方远心设计，系统相对畸变小于0.02%；光谱成像光学系统的狭缝长度超过90mm，采用新型离轴透镜补偿型Offner设计方案，实现了长狭缝高保真光谱成像设计，谱线弯曲和色畸变均小于1/10像元尺寸。
设计结果表明，高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统简单紧凑，成像品质接近系统衍射极限，满足星载高光谱对地成像的数据应用要求。
关键词成像光谱仪光学系统设计自由曲面凸面光栅航天遥感中图分类号: O439文献标志码: A 文章编号: 1009-8518(2021)01-0092-08DOI: 10.3969/j.issn.1009-8518.2021.01.011Optical System Design of a Spaceborne Imaging Spectrometer withHigh Resolution and Super SwatchWANG Baohua LI Ke TANG Shaofan ZHANG Xiuqian WANG Yuanyuan（Beijing Institute of Space Mechanics & Electricity, Beijing 100094, China）Abstract In order to meet the requirements of remote sensing applications with high spatial resolution, hyperspectral resolution and super swatch, a new scheme of the space imaging spectrometer with high resolution and super swatch is put forward. The spatial resolution and swatch are 50m and 150km respectively, and the hyperspectral resolution can be better than 5nm between 0.4μm and 1.0μm. The comprehensive performance has reached the international advanced level. The index parameters are optimized based on SNR and the modulation transfer function. Then the space imaging optical system and the spectrum imaging optical system are designed according to the optical desigh parameters. The free-form surface is adopted for the off-axis mirror to realize telecentric design of wide field of view and large relative aperture. The relative distortion is lower than 0.02%. The slit length is over 90mm in the spectrum imaging optical system. And the new oftener configuration with off-axis correction lens is put forward to realize high fidelity design. The keystone and smile can be both controlled within 1/10 pixel. The optical system of the space imaging spectrometer with high resolution and super-swatch has so favorable imaging quality and compact volume,收稿日期：2020-03-02基金项目：科技部国家重点研发计划项目（2016YFB0500501）引用格式：王保华, 李可, 唐绍凡, 等. 高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计[J]. 航天返回与遥感, 2021, 42(1): 92-99.WANG Baohua, LI Ke, TANG Shaofan, et al. Optical System Design of a Spaceborne Imaging Spectrometer withHigh Resolution and Super Swatch[J]. Spacecraft Recovery & Remote Sensing, 2021, 42(1): 92-99. (in Chinese)第1期王保华等: 高分辨率超大幅宽星载成像光谱仪光学系统设计 93which can satisfy the demand of remote sensing application.Keywords imaging spectrometer; optical system design; free-form surface; convex grating; space remote sensing0 引言成像光谱仪是一种将成像技术与光谱技术相结合的新型光学遥感仪器，可以同时采集目标的空间信息、辐射信息和光谱信息，形成谱像合一的数据立方体，在大气、陆地、海洋、农林、应急减灾、水土和矿产资源调查等领域具有重要应用价值[1-3]。
宽视场成像光谱仪前置远心离轴三反光学系统设计
以共轴三反系统成像理论[ 13] 为基础, 选择一次 成像结构对远心三反成像系统进行研究。
如图 1 所示, f 为共轴三反系统的焦距, 三个反 射镜 M 1 、M 2 和 M 3 的顶点曲率半径分别为 R 1 、R2 和 R3 , 主镜 M1 与次镜 M 2 间隔为 d1 , 次镜 M 2 与三 镜 M3 间隔为 d2, 三镜 M3 与像面的间隔为 d3 , 即 图 1中的 l3 。
e23 1 ( 1+
1)4 -
2 1
(
1
+
1)( 1-
1)2 ,
( 9)
S II =
1 4
e22 ( 1 - 1 ) ( 1 + 1 ) 3 +
e23 (
2 1
-
2) ( 1+
1)3 -
5 1
+
2
4 1
+
3 1
-
3
2 1
-
1
,
( 10)
S III =
1 41
e22 ( 1 -
1)5 +
e23 (
2 1
0622004 1
开展了远心离轴 三反系统的研 究设 计, 如: Jun ichi 等[ 11] 设计的远心离轴三反系统焦距 为 700 mm 、F 数为 4、IF OV 为 6 , 主镜为双曲面镜、 次镜为球面镜、三镜为扁椭球面镜; 李欢等[ 12] 设计 的远心离轴三反系统焦距为 720 m m、F 数为 4、视 场角为 10 , 主镜为 6 次非球面镜、次镜和三镜为椭 球面镜。
Abstract I n order to meet the needs of the wide field of view ( FOV ) imaging spectrometer development, the problem about optical design of telecentric, wide FOV, large relative aperture, off axis three mirror system is studied, and the expressions of initial configuration parameters and the third order aberrations for flat field, telecentric, three mirror system are educed. With the specific requirements of 0. 4~ 2. 5 m spectral range, F number is 4, 720 mm focal length, 10 FOV, a flat field, telecentric, off axis three mirror imaging system is designed, in which the secondary mirror is convex spheric mirror, the primary mirror and the third mirror are concave conicoid and coplanar, and all the three mirrors are coaxial. The design result indicates that the imaging quality of the designed system approaches the diffraction limit at full FOV in the required wave band. Key words optical design; off axis three mirror system; telecentric; wide field of view; imaging spectrometer OCIS codes 220. 4830; 220. 3620; 120. 6200
成像光谱仪工程权衡优化设计的光学结构
直一 成像光学结构 的新 型成像 光谱仪 ， 其调制 传递 函数（ ＭＴＦ 达到 ０ ４ ～ｏ ６ ， ） ． ４ ． ２ 光谱分 辨率 为 ３ ３ｎ 仪器 的总重量 ～２ ｍ，
约为 ７ ｇ Ｏｋ 。在焦平面器件性能 和信噪比等技术指标相 同的情况下 ， 如果用光栅或干涉式傅 里叶变换光谱仪 ， 则需要 Ｆ Ｎ
ａ ｐ ｉ ｉｅ ｐ ｉａ ｙ ｔｍ ｓｉｔ ｏ ｕ ｅ Ｏ ｄ ｓｇ ｅ ｔ ｐ ｆｉ ｇｎ ｐ ｃ ｒ ｍ ｅｅ ｏ ｓｓ ｉｇ ｏ ｎ ｏ ｔ ｚ ｄ ｏ ｔｃ ｌｓ ｓｅ ｗａ ｎ ｒ ｄ ｃ ｄ ｔ ｅ ｉ ｎａｎ ｗ ｙ ｅｏ ｍａ ｉ ｇ ｓ ｅ ｔｏ ｔｒｃ ｎ ｉｔｎ ｆ ｍ ａｔ ｒ ｅ— ｒ ｏ ＿ ｆ＿ ｘｓａ ａ ｔ ｍａ ＴＭ Ａ） ｉｐ ｒｉ ｅｐ ｉｍ ｎ ｎ ａ ｐ ｅ ｅｍｉｒ ｒｃ ｌ ｍａ ｉｇ ａ ｄ ｈ ｅ ｍｉｒ ｒｏ ｆａ ｉ ｎ ｓｉ ｇ ｔ（ ，ａｄｓ ｅ ｓｖ ｒｓ ａ ｄ ａ ｓ ｈ ｒ ｒ ｏ ｏ ｌ ｔｎ ｎ ｉ ｉ ｇ ｎ ｙ ｔ ｍ． Ｔｈｓｋ ｎ ｆｉ ａ ｉ ｇ ｓ ｅ ｔｏ ｅｅ ｒ ｓ ｏ ｅ ｈ ｐ ｃｒ ｌｒ ｇ ｏ ｆ０ ４～ ２ ５ ｍ ｍａ ｉ ｇ ｓ ｓｅ ｉ ｉｄ ｏ ｍ ｇ ｎ ｐ ｃｒ ｍ ｔｒｗｏ ｋ ｖ ｒｔ ｅ ｓ ｅ ｔａ ｅ ｉｎ ｏ ． ．
Ｏｐｉｓ Ｃ ａ ｇ ｈ ｎＩ ｓ ｔ ｔ ｏ ｐ ｉｓ Ｆ ｎ ｃ ａ ｉｓ ｎ ｈ ｓ ｓ Ｃ ｉｅｅ ａ ｅ ｆ Ｓ ｉｎｅ ， ｔ ， ｈ ｎ ｃ ｕ ｎ ｔ ｕｅ ｆ Ｏ ｔ ， ｉｅ ｃ ｉ ｃ Ｍｅｈ ｎｃ ｄ Ｐ ｙ ｉ ， ｈ ｎｓ ｄ ｍｙ ｏ ｃｅ ｃｓ ａ ｃ Ａｃ Ｃ ａ ｇ ｈ ｎ１０ ３ ，Ｃ ｉａ ３ ｒｄ ａｅ ｃｏｌ ｆｔｅＣ ｉ ｓ Ａｃ ｅ ｆ Ｓ ｉ ｃ ，Ｂ ｉ ｎ ０ ０ ９ Ｃ ｉ ） ｈ ｎ ｃｕ ３ ０ ３ ｈｎ ；．Ｇ ａ ｕ ｔ Ｓｈ ｏ ｏ ｈｎ ｅ ａ ｍｙｏ ｃ ｎｅ ｅ ｉｇ １ ０ ３ ， ｈｎ ｈ ｅ ｄ ｅ ｊ ａ
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
第!!卷!第"期!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析#$%&!!!'$&"!(()),)-)),=
)*+!年"月!!!!!!!!!!!!.(/012$30$(4567.(/0125%865%43938:;:31!)*+!!
基于"::425结构分视场成像光谱仪光学设计吴从均+)颜昌翔+"刘!伟+代!虎+)
+)
摘!要!为满足航天应用中仪器小型和轻量化)大视场的观测要求!通过分析现有CRR6/2成像光谱仪!给出了一种简单的采用凸面光栅设计成像光谱仪的方法"并据此方法设计了一应用于J**^P高度!波段范围为*&J"+*P!焦距为,)*PP!E数为L!全视场大小为J&!V的分视场成像光谱仪系统"分视场采用光纤将望远系统的细长像面连接到光谱仪的三个不同狭缝而实现"三狭缝光谱面共用一个像元数为+*)Jc+*)J!像元大小+"*Pc+"*P的BBE探测器"通过gHS8N软件优化和公差分析后!系统在)"%(+PP\+处S?>优于*&=)!光谱分辨率优于L6P!地面分辨率小于+*P!能很好的满足大视场应用要求!该光学系统刈幅宽度相当于国内已研制成功的同类最好仪器的三倍"
关键词!CRR6/2%成像光谱仪%分视场%光学设计中图分类号CJ!!!!文献标识码8!!!%"&+*&!I=JK&9336&+***-*LI!)*+!*"-)),)-*L
!收稿日期)*+)-++-)+修订日期)*+!-*)-+=
!基金项目国家#"=!计划$项目#)*++88+)8+*!$资助
!作者简介吴从均!+I"=年生!中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生!!/-P59%&Q:0$6;K:6,"I!+=!<0$P"通讯联系人!!/-P59%&4560j!09$P(<50<06
引!言!!星载超光谱成像仪按地面像元分辨率分为中分辨率和高分辨率!中分辨率超光谱成像仪地面分辨率为数百米至数千米量级!高分辨率超光谱成像仪为数十米量级'+("目前制约星载成像光谱仪发展的主要是探测器和分光方式!国内星载设备探测器一般都通过国外购买!价格昂贵!而且购买的渠道越来越窄%分光方式上!光栅和棱镜作为传统的分光元件!各自存在一定的缺点"傅里叶变换光谱仪虽然是一种比较理想的成像光谱仪形式!但环境要求非常高!往往信噪比并不是很高%基于8C?>)TB?>)波带片等二元光学元件和折衍射系统组合的分光在星载应用中相对还不成熟')!!("传统光谱仪系统包括准直和成像系统!一些独特结构的光谱仪系统采用汇聚光路!这种方法在很大程度上都采用了准直和成像对称形式!CRR6/2结构就是一种对称严格的结构形式"CRR6/2光栅成像光谱仪在)*世纪I*年代初就已经被提出了!随着光栅制造水平的提高!其结构简单)利于小型化的突出优势逐渐被放大!已经在应用中崭露头角'J("文献'L!=(分别从如何消除像散等离轴像差上分析了CRR6/2成像光谱仪的设计方法!文献',(给出了在汇聚光路中和在发散光路中分别采用光栅和曲面棱镜设计成像光谱仪的光学系统并比较了两者的优缺点!程欣等'"(采用在汇聚光路中加入>p24棱镜作为分光元件设计了光谱范围在*&J")&L*P的成像光谱仪"一些相关文献中还对CRR6/2成像光谱仪的机械结构设计'I()图像数据压缩)装调方法'+*(和杂散光'++(的分析研究"分视场成像光谱仪#3:Z-R9/%79P5;96;3(/012$P/1/2!.>@.$能有效增大地面刈副宽度!利用视场分割思想!将望远镜宽线视场分割)折叠成窄线视场阵列!通过一个光谱仪进行分光!充分发挥面阵探测器的优势!各窄线视场的光谱图像数据按序首尾相连!便得到了宽线视场情况下的高分辨率超光谱成像数据"早期的宽视场大部分采用视场分离器分别进入不同光谱仪系统'+)(!这种情况下光谱仪必须根据视场分离的结果置很多台!而且体积大"本方法大大减小了仪器的体积和重量"+!CRR6/2光谱仪的设计方法!!对于CRR6/2结构的数值分析设计在文献'L!=(中给出了详细的设计过程!而且这些结构都是通过离轴形式对其进行分析!过程极为繁琐"下面从同轴结构出发进行分析!可以很快得到这种初始结构"'('!
确定凸面光栅的曲率半径CRR6/2结构设计就是要确定三个镜面的曲率半径和离轴量"光学设计必须从探测器入手!成像光谱仪采用面阵探测器!设面阵探测器的光谱维长度为43(/0!光谱范围为))!分光级次为O!光栅的刻画密度为*#刻线+PP\+$!根据已有文献可知!光栅曲率半径"_251为"_251!43(/0O*))#+$'(#!确定主镜和三镜的曲率半径光谱仪器中!球差会造成光谱线扩展!慧差对谱线轮廓影响严重!像散和场曲产生的物理原因是一样的!像散会影响光谱维能量分布的均匀性!畸变会增加仪器定标等的难度%轴向色差会造成谱面弯曲和像面的倾斜!倍率色差只对色散率和光谱线的长短产生影响!设计中一般不进行特殊考虑"设整个CRR6/2是+k+成像如图+!光栏设置在光栅上!此时CRR6/2为一个严格对称的结构形式!诸如倾斜和畸变等像差会自动消除"CRR6/2结构在设计中有两个必须保证的条件就是罗兰结构和三元件的共球心性质!这两个条件保证了系统不受慧差的约束!系统元件均为反射形式!不存在色差问题!已有的文献中主要针对如何消除系统像散进行分析"为保证系统没有像散!假设主镜和三镜的曲率半径分别为"+和")!光栅的曲率半径为"_!根据文献'=(中参数满足以下关系时可以保证在中心波长消除像散#3S)3.分别表示子午和弧矢面像位置$")*+('!"::425E74:*+.53-*747:*63+*4+1<2E-5762-25!!子午面内像距3SS!")0$3$!#)$!!弧矢面内像距3S.!+*)0$3$!")#+Z_]&3S#$1#!$!!Z_]和"_满足每个镜面的成像关系+"+0$3$+&+3S.+!)0$3$+"++3S.+#Z`_&+3S.)!0$3$)&0$3$S)"_+3S.)#Z?_&+3SL!!)0$3$!")#J$!!子午和弧矢面像点重合3SS#3S.!*#L$!!在这种计算中必须根据物方的数值孔径计算各个表面上的入射角度!计算量也是比较大的!当我们考虑同轴情况时!很容易求得"+和")如下"+!")!)"_
#=$
!!再根据要求适当增加离轴量!使镜面之间不存在渐晕现象!逐步优化各个表面半径或者距离就可以得到与之对应的CRR6/2光谱仪结构!对比已有的CRR6/2结构可以发现!都近似满足这种大小关系"当CRR6/2结构不应用于+k+放大形式时!设放大倍率为5#像面*物面$!则依然可以根据成像关系求解"+和")满足下述关系""+!"*5!")!5"!"+&")!)"_
#,$
'(>!"::425设计流程总结上述的分析过程可以得到CRR6/2光谱仪系统的设计流程如图)!如果在上述仍不满足像质或者应用要求!那么有可能CRR6/2结构就满足不了这种光谱仪的设计要求!必须更换新的光学形式"
)*+(#!,-2<1:75/21*+4*4+"::425*63+*4+1<2E-5762-25)!
望远物镜设计
!!成像光谱仪包括前置望远镜和光谱仪系统!某星载成像光谱仪指标如表+"
83BA2'!,<2E*:*E3-*7417:-;21<2E-5762-25-7B2/21*+42/光谱范围**P光谱分辨率*6P卫星高度*^P地面象元分辨率*P刈幅宽度*^P
*&J"+LJ**+*!*
#('!
望远物镜指标参数
设计中选择美国.526$RR公司生产像元尺寸+"*Pc+"
*P)格式+*)Jc+*)J的BBE探测器!成像光谱仪中望远物镜和光谱仪之间对接必须满足光通的匹配!从而消除系统的渐晕!因此望远物镜设计成像方远心!光谱仪为物方远心"根据探测器的型号和属性!以及表+技术指标!确定望远镜的设计指标如表)"
83BA2#!92`.*52624-17:-2A21E7<2:75*63+*4+1<2E-5762-25焦距*PP光谱范围*PPE*,@>C#*P257>C#*#V$
,)**&J"+L*&*)LJ&)I
#(#!
望远镜光学设计
望远镜的设计可以选择透射式或反射式!反射式望远物镜由于无色差!而且重量轻!以及我所已有的较成熟的技术!因此选择离轴三反作为望远物镜的设计雏形!计算出望
!,))第"期!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!光谱学与光谱分析远物镜的初始参数!通过gHS8N光学软件优化后!望远物镜的光学系统如图!所示!光学系统截止频率处S?>优于*&,"!如图J所示接近衍射极限")*+(>!"<-*E3A/21*+47:-2A21E7<2)*+(?!N8)7:--2A21E7<2!!分视场CRR6/2成像光谱仪光学设计>('!分视场思想望远物镜的狭缝长度约为LJPP!根据实际计算探测器要求空间维的像元至少为!***个!因此如果使用狭缝和光谱仪对接不可能满足应用要求!光纤具有很好的传像功能!其对于光谱仪S?>的影响在相关文献中已经有所研究"因此在望远物镜像面上采用光纤采集像面上关于物体的光谱和细节信息并接入狭缝"根据所选的面阵探测器!其光谱维的像元数有很大充裕!为合理应用整个探测器!采用三狭缝同时通过同一个光谱仪!进行分光成像">(#!光谱仪指标要求和初始参数计算成像光谱仪光谱分辨率优于L6P!空间方向截止频率处S?>大于*&L!为提高系统的信噪比!采用双像元合并的方法!根据光谱范围可以知道!光谱通道数为+)*个!系统采用+k+放大进行设计"物方数值孔径为*&+!光谱维宽度为J&!)PP!根据+&!节确定初始参数如表!"
83BA2>!&4*-*3A<35362-2517:"::425光栅刻划密度*#%(+PP\+$"_*PP"+*PP"
)
*PP
"*I*+"*+"*
!!将表中参数输入到光学软件中!按照+&!节中的过程进行优化!达到应用需求">(>!
优化结果分析
通过调整离轴量优化曲率半径和相对距离得到的光学系统的参数如表J!其光学结构形式如图L所示"
83BA2?!"::425<35362-2513:-257<-*6*d3-*74#PP$TC`T`_T`?T?@"+#")$"_
+"*",&J"L",&J"L+"*\+,"&=I\"I&"*"
)*+(F!,)&,217<-*E3AA307.-M*-;"::4251-5.E-.52)*+(G!,E;263-*E7:!!%E7D252/M*-;:*A-25E73-*4+
!
)*+(H!8;21<7-1*d27:,)&,#5$&*&J"*&J+*P%#Z$&*&,"*&,+*P%#0$&*&II"+
J,))光谱学与光谱分析!!!!!!!!!!!!!!!!!!!第!!卷