CN102252756B - 一种星载差分吸收光谱仪前置光学系统 - Google Patents

Abstract

一种星载差分吸收光谱仪前置光学系统，由前置望远镜和中继反射镜组成，前置望远镜又由主镜和次镜组成，且望远镜主、次镜以及中继反射镜均是偏轴设计，偏轴角度依次为4°、-6°、5°；目标物的辐射光通过入瞳光栏照射到主镜上，光束反射经扰偏器通过孔径光栏到前置望远镜次镜上，接着经过狭缝再反射到中继反射镜上，最后由中继反射镜聚焦到光谱仪入射狭缝处；通过控制光阑位置和偏轴角度来实现两镜的宽视场望远镜系统，本发明镜面数少、辐射能量利用效率高，工作光谱范围宽，无色差校正，提高了测量的准确性和整个系统的探测分辨率，且整个光学体积紧凑，为后继光学系统带来较大方便。

Description

一种星载差分吸收光谱仪前置光学系统

技术领域

本发明属于一种光学测量方法领域，具体的是一种收集、汇聚地表及天空紫外散射光的差分吸收光谱仪的前置光学系统，主要应用于星载或机载的差分吸收光谱仪。

背景技术

目前国内外常用的前置光学系统分别是离轴非球面三反射镜系统(TMA)、卡式折反射系统和短焦距折射式光学系统。卡式系统技术比较成熟，由两个同轴非球面和折射场镜组成，但有中心遮拦，分辨力稍低，杂光较大，需要加外遮光罩；TMA系统是近些年发展的新型光学系统，由3块非球面反射镜组成，无中心遮拦，分辨率搞，但加工和装调比较难；折射式系统主要用于推扫式机载高光谱成像仪，但这样的系统不太适用于宽波段系统，尤其是所测波段包括紫外波段，受紫外玻璃材料限制，优先考虑反射式结构。

紫外到可见光(240～790nm)波段的前置光学系统，采用反射系统是最可行且经济的方案。但是，一般的同轴反射系统有两个较大的不足：一是有不可避免的中心遮拦；二是像质优良的视场较小。TMA三反镜系统视场也相对较小，且由于是非球面镜组成，加工和装调都不易。

因此，目前的前置光学系统的视场过小，整体光学系统体积偏大，后续成像光谱仪的排布不合理等状况。前置光学系统是星载差分吸收光谱仪的关键部分，为了满足大视场角、高分辨、无偏振效应等技术要求，必须对现有的前置光学系统进行改进。

发明内容

本发明的技术解决问题：克服现有技术的不足，提供一种星载差分吸收光谱仪的前置光学系统，解决前置光学系统的视场过小，整体光学系统体积偏大问题。

本发明的技术解决方案：一种星载差分吸收光谱仪前置光学系统，所述光学系统设置有入瞳光栏，在入瞳光栏的后续光路上依次设置有望远镜主镜、扰偏器、孔径光栏、望远镜次镜、视场光阑和中继反射镜及作为前置光学系统焦面的光谱仪入射狭缝；望远镜主镜和望远镜次镜组成像方远心光路；孔径光栏设置在望远镜次镜的物方焦点处，孔径光栏前放置扰偏器；目标物的辐射光通过入瞳光栏到前置望远镜主镜上，经扰偏器到孔径光栏，通过孔径光栏到前置望远镜次镜上，再汇聚到视场光阑处后反射到中继反射镜，最后由中继反射镜聚焦到光谱仪入射狭缝处；所述望远镜主镜、望远镜次镜及中继反射镜均为凹面反射镜构成，且所述望远镜主镜、望远镜次镜及中继反射镜均为偏轴放置。

所述望远镜主镜、望远镜次镜及中继反射镜偏轴放置时的偏轴角度分别为4°、-6°、5°。远镜主镜、望远镜次镜可以为球面镜，也可以为非球面镜。望远镜主镜、望远镜次镜及中继反射镜采用相同的材料，均为微晶玻璃材料(Zerodur)制成，镜面镀铝膜，铝膜带宽为240nm～790nm。

所述扰偏器为空间伪消偏器，使用扰偏器使光谱仪的光栅、分色片等器件对偏振不会太敏感，从而减少测量误差。

本发明的原理：本发明的前置望远镜采用了偏轴系统，即中心视场主光线与镜面的对称轴有一个夹角的光学系统，镜面在偏轴状态往往要引起很大的像差，这时必须靠副镜加以矫正，以达到在一定视场内有足够优良的像质。同时引入第三块中继反射镜改变光路排布，改善中继光路成像效果。在这里强调一下，本发明前置光学系统的第三块中继反射镜起到了关键的作用，不仅将通过前置望远镜聚焦到狭缝后形成的发散光束变成汇聚光束，为后续的中继镜头优化带来方便，同时本身也参与了后继光路的中继镜头优化，中继镜头设计可以较为简单就能达到使用要求。另外，中继反射镜还起到了光路转向作用，这里的中继反射镜也是偏轴设计考虑，这里是偏轴5°。从而整个前置光学系统设计较为紧凑，整体体积小，采用都是纯反射系统无色差，满足星载光谱仪系统的使用要求。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明主要由前置望远镜和中继反射镜组成，前置望远镜又由望远镜主镜和望远镜次镜组成，且望远镜主、次镜以及中继反射镜均是偏轴设计，偏轴角度依次为4°、-6°、5°，目标物的辐射光通过入瞳光栏照射到前置望远镜的主镜上，光束反射经扰偏器通过孔径光栏到前置望远镜副镜上，接着经过狭缝再反射到中继反射镜上，最后由中继反射镜聚焦到光谱仪入射狭缝处，这样通过控制光阑位置和偏轴角度来实现两镜的宽视场望远镜系统，从而解决了前置光学系统的视场过小的问题。

(2)本发明采用中继反射镜和前置望远镜的连接使得整体的光学系统大为缩小，整个光学体积紧凑，无色差，能满足大视场需求，可以适应星载和机载的不同需求。

(3)本发明的镜面数少、辐射能量利用效率高，工作光谱范围宽，无色差校正，从而提高了测量的准确性和整个系统的探测分辨率。

(4)此外，本发明中的中继反射镜和前置望远镜选用结构性能和热性能都较好的微晶玻璃材料(Zerodur)，表面镀铝加氧化硅保护膜确保仪器工作光谱范围都有90％以上的反射率。

(5)本发明采用扰偏器，使光谱仪的光栅、分色片等器件对偏振不会太敏感，从而减少了测量误差。

(6)通过本发明前置望远镜的MTF传递函数发现，本发明在一定的空间频率范围内具有良好的分辨率和对比度，满足成像光谱仪前置光学系统的需求。前置望远镜在114x0.5度的大视场范围内，狭缝处成像的弥散斑的均方根值在80μm以内。焦平面上相对照明变化情况显示出视场边缘的相对照明(或相对照度)相当于视场中心的0.95以上，由此可见照明均匀性非常好。

附图说明

图1为本发明前置望远镜光学系统图；

图2为本发明星载差分吸收光谱仪前置光学系统图。

具体实施方式

星载大气痕量气体差分吸收光谱仪的光学系统设计不仅要考虑工作波长范围、性能、体积和质量等问题，还要考虑空间应用环境下系统的工作稳定性问题。因此本发明的前置光学系统采用反射式系统较佳。

如图1、2所示，本发明的星载差分吸收光谱仪前置光学系统设置入瞳光栏1，入瞳光栏1的后续光路上依次设置有望远镜主镜2、扰偏器3、孔径光栏4、望远镜次镜5、视场光阑6和中继反射镜7以及光谱仪入射狭缝8(前置光学系统焦面)。其中望远镜主镜2和望远镜次镜5组成像方远心光路；孔径光栏4设置在望远镜次镜5的物方焦点处，孔径光栏4前放置扰偏器3。目标物的辐射光通过入瞳光栏1到前置望远镜主镜2上，经扰偏器3到孔径光栏4，通过孔径光栏4到前置望远镜次镜5上，再汇聚到视场光阑6处后反射到中继反射镜7，最后由中继反射镜7聚焦到光谱仪入射狭缝8处。

本发明中的望远镜主镜2、望远镜次镜5以及中继反射镜7均是凹面反射镜组成，本发明中的望远镜主镜2、望远镜次镜5以及中继反射镜7均是球面镜设计，也可以为非球面设计，为了装调方便，本实施例选用球面镜设计。这三块反射镜，即望远镜主镜2、望远镜次镜5以及中继反射镜7均是偏轴放置，分别依次偏轴角度为4°、-6°、5°。其中主光线入瞳直径1.6mm，聚焦到28mm(长度)x0.2mm(宽度)。望远镜主镜2、望远镜次镜5均为长条形的，F数为9。

考虑到前置望远镜的体积不能大，望远镜主镜在大视场114°方向的直径为Φ120mm，小视场0.5°方向的通光孔径很小(Φ10mm以内)，因此望远镜的尺寸不大，呈长条形(120mmx20mm)。望远镜次镜的直径不到Φ30mm，前置望远镜轻量化率要求不高，同时考虑到工作环境又是在超低温环境下，最终通过反复试验选择三块反射镜的材料均为微晶玻璃材料(Zerodur)，每个镜面镀铝膜，铝膜带宽为240nm～790nm。

三块反射镜的厚度根据镜子的直径及曲率大小来确定相应的厚度，本发明的望远镜主镜中心厚度为20mm、次镜中心厚度为7mm、中继反射镜中心厚度为16mm。

孔径光栏考虑做成挡光材料，如用抛光度较高、带锥度的铝制作加工的光阑，且表面做发黑处理。

Claims (6)

1.一种星载差分吸收光谱仪前置光学系统，其特征在于：所述光学系统设置有入瞳光阑（1），在入瞳光阑（1）的后续光路上依次设置有望远镜主镜（2）、扰偏器（3）、孔径光阑（4）、望远镜次镜（5）、视场光阑（6）和中继反射镜（7）及作为前置光学系统焦面的光谱仪入射狭缝（8）；望远镜主镜（2）和望远镜次镜（5）组成像方远心光路；孔径光阑（4）设置在望远镜次镜（5）的物方焦点处，孔径光阑（4）前放置扰偏器（3）；目标物的辐射光通过入瞳光阑（1）到前置望远镜主镜（2）上，经扰偏器（3）到孔径光阑（4），通过孔径光阑（4）到前置望远镜次镜（5）上，再汇聚到视场光阑（6）处后反射到中继反射镜（7），最后由中继反射镜（7）聚焦到光谱仪入射狭缝（8）处；所述望远镜主镜（2）、望远镜次镜（5）及中继反射镜（7）均为凹面反射镜构成，且所述望远镜主镜（2）、望远镜次镜（5）及中继反射镜（7）均为偏轴放置。

2.根据权利要求1所述的星载差分吸收光谱仪前置光学系统，其特征在于：所述望远镜主镜（2）、望远镜次镜（5）及中继反射镜（7）偏轴放置时的偏轴角度分别为4°、-6°、5°。

3.根据权利要求1所述的星载差分吸收光谱仪前置光学系统，其特征在于：所述扰偏器（3）为空间伪消偏器。

4.根据权利要求1所述的星载差分吸收光谱仪前置光学系统，其特征在于：所述望远镜主镜（2）、望远镜次镜（5）为球面镜或非球面镜。

5.根据权利要求1所述的星载差分吸收光谱仪前置光学系统，其特征在于：所述望远镜主镜（2）、望远镜次镜（5）及中继反射镜（7）采用相同的材料制成，镜面镀铝膜，铝膜带宽为240nm～790nm。

6.根据权利要求1所述的星载差分吸收光谱仪前置光学系统，其特征在于：所述孔径光阑（4）为挡光材料构成。

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