CN102494772B

CN102494772B - 一种适用于大视场前置光学系统的装调方法

Info

Publication number: CN102494772B
Application number: CN 201110440480
Authority: CN
Inventors: 江宇; 司福祺; 江庆五; 薛辉; 周海金; 谢品华
Original assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Current assignee: Hefei Institutes of Physical Science of CAS
Priority date: 2011-12-23
Filing date: 2011-12-23
Publication date: 2013-10-09
Anticipated expiration: 2031-12-23
Also published as: CN102494772A

Abstract

一种适用于大视场前置光学系统的装调方法，让光源进入光栅光谱仪，调整光栅光谱仪输出为单色光；使单色光通过准直系统形成准直光束，进入前置光学系统；所述前置光学系统包括主镜、次镜、中继反射镜、入瞳光栏、扰偏器、孔径光栏、视场光阑；在前置光学系统的入瞳后端设置一块漫透射板，准直光束经过前置光学系统的入瞳光栏后，经漫透射板后形成漫透射光；漫透射光依次经前置光学系统的主镜、扰偏器、孔径光栏和次镜后汇聚到系统的视场光阑处；在视场光阑处设置带有针孔的狭缝，被聚焦光束照亮后，经中继反射镜聚焦到光电探测器上。本发明从而提高整个系统的测量准确性和探测分辨率，为整体光学系统调试带来方便。

Description

一种适用于大视场前置光学系统的装调方法

技术领域

本发明属于一种光学测量方法领域，具体的是针对大视场前置光学系统的装调方法，主要应用于星载或机载的差分吸收光谱仪。

背景技术

目前国内外常用的大视场前置光学系统，尤其是采用离轴反射式的大视场光学系统，不可避免的在成像时会出现像散现象，就本发明所涉及的大视场光学系统在视场光阑位置所成的光斑像为弯曲像，即中间大、两头小、带有一定弧度的光斑。而通常的狭缝装入该系统中会使得通光能量受到损失，影响后续光谱仪的测量精度。

在装调大视场的光学系统中，如何实现大视场，一般通过用控制转台的角度，或者通过光源来实现大视场的要求。转台的使用会带来精度的误差，若载荷过大，会涉及到转动精度、承载量的问题，且使得整个装调系统显得过于复杂和庞大。光源要实现±57°的视场，显然要做特殊的工装设计，加上要经过光栅光谱仪和准直系统，不易实现。

发明内容

本发明技术的解决问题：克服现有技术的不足，提供一种大视场的前置光学系统装调方法，解决目前前置光学系统因大视场造成的像散，既而导致光能量的损失，影响后续光谱分辨率和空间分辨率的测量精度；同时，用较为简单的方式来实现大视场±57°的要求。

本发明的技术解决方案：一种适用于大视场前置光学系统的装调方法，实现步骤如下：

(1)让光源进入光栅光谱仪，调整光栅光谱仪输出为单色光；

(2)使单色光通过准直系统形成准直光束，进入前置光学系统；所述前置光学系统包括主镜、次镜、中继反射镜、入瞳光栏、扰偏器、孔径光栏、视场光阑；

(3)在前置光学系统的入瞳后端设置一块漫透射板，准直光束经过前置光学系统的入瞳光栏后，经漫透射板后形成漫透射光；

(4)漫透射光依次经前置光学系统的主镜、扰偏器、孔径光栏和次镜后汇聚到系统的视场光阑处；

(5)在视场光阑处设置带有针孔的狭缝，被聚焦光束照亮后，经中继反射镜聚焦到光电探测器上。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明解决了目前前置光学系统因大视场造成的像散，既而导致光能量的损失，影响后续光谱分辨率和空间分辨率的测量精度。同时，用较为简单的方式来实现大视场±57°，并对后续光谱仪满足高光谱分辨率(0.3nm～0.5nm)的要求提供保障。

(2)本发明调试在视场光阑设置的针孔可以模拟不同视场的成像点，有助于观测不同视场下光斑的成像质量，来分析光学系统成像质量的好坏。

(3)本发明利用普通准直光源通过漫透射板模拟大视场的要求，使得载荷装调大为简化，而不必用传统的转台来实现大视场角的控制。

(4)本发明前置光学系统视场光阑的弯曲狭缝的设置有助于提高整个光学系统的分辨率、信噪比要求。

(5)利用本发明的装调方法可以实现，以相对简单的方式检测在设计要求的视场范围内，光学系统的成像质量。

附图说明

图1为本发明中大视场前置光学系统装调简图；

图2为本发明调试视场光阑针孔狭缝图；

图3为本发明视场光阑狭缝结构图。

具体实施方式

本发明中的大视场光学系统是一种星载差分吸收光谱仪的前置光学系统，如图1所示，实现本发明装调方法的大视场前置光学系统的装调系统主要由电源控制器1、光源2、中阶梯光栅光谱仪3、准直系统4、入瞳光栏5、漫透射体6、主镜7、扰偏器8、孔径光栏9、次镜10、视场光阑11、中继反射镜12和CCD探测器13所构成，主镜7、次镜10、中继反射镜12三块偏轴设置；准直系统4为离轴抛物镜。电源控制器1控制光源2发出一种高亮度、宽波段的光，它的光谱范围能达到180nm～800nm，覆盖了待测波段范围(240nm～710nm)。宽波段光束通过中阶梯光栅光谱仪3，中阶梯光栅光谱仪3利用光栅的调整能输出一系列单色光，它的光谱分辨率非常高，能达到0.03nm，比待测系统设计的分辨率(0.3nm～0.5nm)要高出一个数量级。单色光束通过准直系统4变成准直光束，进入前置光学系统，通过入瞳光栏5后的漫透射板6形成漫射光，漫射光通过主镜7、扰偏器8、孔径光栏9、次镜10聚焦到视场光阑上的针孔狭缝11，照亮视场光阑11的针孔狭缝通过中继反射镜12后成像在CCD探测器13上接收。主镜7、次镜10、中继反射镜12为球面镜或非球面镜，材料为微晶玻璃，表面均镀高反射铝膜。

本发明实施例一种星载/机载差分吸收光谱仪的大视场前置光学系统的装调方法，步骤如下：

(1)光源发出覆盖待测波段的、高亮度的连续光，这里所需的波段主要是240nm～710nm。

(2)当宽波段光源通过中阶梯光栅光谱仪，利用调整光栅，可以形成一系列单色光(240nm～710nm)出射，这里光栅光谱仪的光谱分辨率能达到0.03nm，较检测光学系统的光谱分辨率(设计为0.3～0.5nm)高出一个数量级。

(3)单色光经过准直系统形成准直光束进入前置光学系统。当准直光束经过前置光学系统的入瞳光栏，在入瞳光栏后端放置漫透射体，光束经过漫透射体后会产生漫射光即在一定视场范围内形成各向同性的光线追迹。

(4)当经过漫透射体后的漫射光通过前置系统的主镜、扰偏器、孔径光栏和次镜后聚焦到前置系统的视场光阑处。这里在视场光阑处，放置特殊的狭缝组件，狭缝设计成一定弯曲的形状，狭缝上设置有针孔，针孔按不同视场角度配置相应孔径，一般取成像光斑的RMS为相应尺寸。针孔位置通过计算可以和入瞳的视场角一一对应。入瞳后的漫透射光聚焦到视场光阑的针孔上。

(5)针孔被漫射光照亮后，通过后面的中继反射镜就会成像，可以在焦面处通过CCD检测针孔所成像的光斑。光电探测器为CCD相机，探测靶面为1/2英寸，用来检测成像光斑的尺寸。

具体调试利用单色光形成准直光源，出射光斑照亮光学系统入瞳口，如步骤(3)中，在入瞳口处设置漫透射体，经漫透射体后可模拟大视场光线，这样就无需使用转台来达到视场角的要求。

漫透射体在这里起到关键的作用，它的透过率：240nm～710nm光谱透射率透过率大于50％、240nm～710nm半球反射率变化范围小于15％。材料基底是石英，光主要通过粗糙的石英表面在前向进行散射，入光第一面即漫射面，第二面抛光。

①外型加工，按照机械接口要求，完成产品加工。其中需要考虑辅助工装，防止加工过程的应力产生、污染等措施，适当考虑表面处理的加工余量，根据材料特性，选择合理的加工工艺。

②表面粗处理，通过物理、化学等方式消除内部应力、污染物，并形成具有漫反射特性的初步产品，其中需要根据几何检测与光学特性检测结果进行工艺特性分析，提出改进措施。

③表面精细处理，通过定标器表面的精细处理，表面均匀一致，形成满足要求的产品。根据几何与光学特性检测结果，进行工艺特性分析，通过粗糙度、光学反射率、朗伯性关系分析，粗糙金属表面反射的干涉效应分析，改进工艺。如步骤(4)中的狭缝组件的设置是：针孔狭缝的设置可以检测系统的视场范围，并且利用被照亮的针孔狭缝经中继反射镜聚焦到CCD，来获知不同视场下的光斑成像质量。这里，视场光阑的形状可以提高光学系统的信噪比，在满足分辨率前提下尽可能提高光学系统能量的收集。

具体装调时，当准直光束经过入瞳光栏5后放置的漫透射板6，会在一定间距内、一定视场范围内形成各向同性的光线追迹，光束覆盖到前置光学系统的主镜7上。根据入瞳光栏5和主镜7的距离，利用几何关系可以很方便的将前置光学系统的视场控制在±57°以内，从而真实模拟实际环境的入射光线角度。利用漫透射板6以及入瞳光栏5和主镜7的位置可以实现大视场的控制，避免了转台的使用或者复杂光源的控制。

漫透射板利用积分球对其透过率进行测试：

240nm～710nm光谱透射率大于50％；

240nm～710nm半球透射率变化范围小于15％。

ρ_r(λ)：漫反射标准板的光谱方向-半球透射率。

L_s(λ)：在积分球壁上放置样品时，光谱仪测量得到的光谱辐射通量。

L_r(λ)：在积分球壁上放置漫透射标准板时，光谱仪测量得到的光谱辐射通量。被测样品的光谱方向-半球透射率为：

ρ_{s} (λ) = \frac{L_{s} (λ)}{L_{r} (λ)} \cdot ρ_{r} (λ)

当视场光阑11的狭缝针孔被前面聚焦的光照亮，移动CCD探测器13确定所成像面最小，然后在通过调整次镜10来使得CCD探测器13像面所成像具有最大光强。此时，即可认为经次镜10、中继反射镜12所成像为最佳位置，同时还可以检测不同视场所成光斑的成像质量。这里在视场光阑11处，放置特殊的狭缝组件，狭缝设计成一定弯曲的形状，狭缝上设置有针孔，针孔按不同视场角度配置相应孔径，一般取成像光斑的RMS为相应尺寸。针孔位置通过计算可以和入瞳的视场角一一对应。入瞳后的漫透射光聚焦到视场光阑11的狭缝针孔上，如图2所示。这样既能满足后续中继光路系统的实际需求，又不至于使系统能量损失过多。当调试结束实际使用时，视场光阑11的位置换成弯曲狭缝，如图3。

Claims

1.一种适用于大视场前置光学系统的装调方法，其特征在于：实现步骤如下：

（1）让光源进入光栅光谱仪，调整光栅光谱仪输出为单色光；

（2）使单色光通过准直系统形成准直光束，进入前置光学系统；所述前置光学系统包括主镜、次镜、中继反射镜、入瞳光阑、扰偏器、孔径光阑、视场光阑；

（3）在前置光学系统的入瞳后端设置一块漫透射板，准直光束经过前置光学系统的入瞳光阑后，经漫透射板后形成漫透射光；

（4）漫透射光依次经前置光学系统的主镜、扰偏器、孔径光阑和次镜后汇聚到系统的视场光阑处；

（5）在视场光阑处设置带有针孔的狭缝，被聚焦光束照亮后，经中继反射镜聚焦到光电探测器上，所述带有针孔的狭缝是一种弯曲的、针孔大小为此处所称光斑的RMS；针孔的位置是根据相应的检测视场设置，和入瞳的视场角一一对应。

2.根据权利要求1所述的适用于大视场前置光学系统的装调方法，其特征在于：所述光源的波段覆盖到170nm～850nm。

3.根据权利要求1所述的适用于大视场前置光学系统的装调方法，其特征在于：所述光栅光谱仪为中阶梯，输出一系列测试波段240nm～710nm范围内的单色光。

4.根据权利要求1所述的适用于大视场前置光学系统的装调方法，其特征在于：所述准直系统为离轴抛物镜。

5.根据权利要求1所述的适用于大视场前置光学系统的装调方法，其特征在于：所述的前置光学系统由主镜、次镜、中继反射镜三块偏轴设置。

6.根据权利要求1或5所述的适用于大视场前置光学系统的装调方法，其特征在于：所述主镜、次镜、中继反射镜为球面镜或非球面镜，材料为微晶玻璃，表面均镀高反射铝膜。

7.根据权利要求1所述的适用于大视场前置光学系统的装调方法，其特征在于：所述步骤（3）中漫透射板的基底材料选用石英，光线通过粗糙石英玻璃表面进行前向散射，即第一表面为漫射面，第二表面抛光。

8.根据权利要求1所述的适用于大视场前置光学系统的装调方法，其特征在于：所述步骤（5）中的光电探测器为CCD相机，探测靶面为1/2英寸。

9.根据权利要求1所述的适用于大视场前置光学系统的装调方法，其特征在于：所述步骤（5）中根据中继反射镜聚焦到系统焦点位置且光斑RMS值尽可能小，这样满足后续光谱仪入射狭缝的要求，提高光谱分辨率到0.3nm～0.5nm。