CN105404017A - 光子筛主镜双色成像光学系统及其应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光子筛主镜双色成像光学系统及其应用，所述光子筛主镜双色成像光学系统由光子筛主镜、分光镜、第一成像光路、第二成像光路构成，光辐射由光子筛主镜收集并会聚到分光镜表面，656.45nm波长的光线透过分光镜并被第一成像光路会聚成像，587.60nm波长的光线被分光镜反射到第二成像光路后会聚成像。本发明所述的光学系统可用作空间望远镜观测太阳的氢、氦两种物质成分的比例。本发明的光子筛主镜由大量圆形通光孔构成，对孔深的加工精度无要求，大大降低了光子筛主镜的加工难度，使得光子筛主镜的加工难度远低于衍射透镜和谐衍射透镜；光子筛主镜可以在卫星发射过程中保持折叠状态，发射到轨道后再展开成平面，对运载火箭的口径要求低。

Description

光子筛主镜双色成像光学系统及其应用

技术领域

本发明属于遥感光学系统设计与像质分析技术领域，涉及一种光子筛主镜双色成像光学系统及其应用。

背景技术

光子筛最初由德国KielUniversity的Kipp等学者为提高软x射线的聚焦能力而提出，论文发表在2001年的《Nature》期刊上。此后，美国、欧洲、日本先后开展了光子筛技术研究。光子筛由菲涅尔波带片结构衍生而来的。菲涅尔波带片是由一系列透明和不透明的同心圆环组成，而光子筛是由充满微小通光孔的环带阵列组成，就像许多同相的小口径透镜阵列，光子筛各微孔的衍射光相干叠加形成光学像面。光子筛优点在于：首先，光子筛可以通过调整通光孔的大小来抑制高级次的衍射光，使得成像对比度大幅提升；其次，光子筛可以通过调整各个环带的通光孔的数量来缩小像面上的弥散光斑半径，从而使得成像质量有所提升；最后，整个光子筛可制作在一张薄膜表面，可折叠发射后在轨展开，因而光子筛的实用性很高。

然而，光子筛具有强烈的色散效应，虽然对设计波长能达到良好的像质，但对其他波长的光无法在同一焦平面上会聚成像点，色差非常大，导致光子筛主镜成像系统的工作波段非常窄。比如，美国正在研制的FalconSAT-7卫星采用的光子筛主镜成像系统的工作波段仅为0.1nm，只能用于探测太阳中氢原子的656.45nm辐射光谱线。

因此，如何增加光子筛主镜成像系统的观测波长是一项有意义的研究内容。

发明内容

本发明的目的是提供一种光子筛主镜双色成像光学系统及其应用，通过该成像系统进行分析设计，给出了光子筛主镜的通光孔参数及双色成像设计方案。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

一种光子筛主镜双色成像光学系统，包括光子筛主镜、分光镜、第一成像光路、第二成像光路，光辐射由光子筛主镜收集并会聚到分光镜表面，656.45nm波长的光线透过分光镜并被第一成像光路会聚成像，587.60nm波长的光线被分光镜反射到第二成像光路后会聚成像。

本发明的光学系统可用作空间望远镜观测太阳的氢、氦两种物质成分的比例，因为656.45nm波长是氢原子辐射的特征光谱，587.60nm波长是氦原子辐射的特征光谱。

本发明的光学系统的优点在于：

(1)光子筛主镜可采用薄膜材料加工，重量非常轻；

(2)光子筛主镜由大量圆形通光孔构成，对孔深的加工精度无要求，大大降低了光子筛主镜的加工难度，使得光子筛主镜的加工难度远低于衍射透镜和谐衍射透镜；

(3)光子筛主镜可以在卫星发射过程中保持折叠状态，发射到轨道后再展开成平面，对运载火箭的口径要求低。

附图说明

图1为光子筛主镜双色成像光学系统的光路图；

图2为光子筛主镜表面通光孔分布示意图；

图3为光子筛主镜的通光孔直径在各通光环带的分布曲线；

图4为第一成像光路的光路图；

图5为第二成像光路的光路图；

图6为第一成像光路的MTF曲线；

图7为第二成像光路的MTF曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。

如图1所示，本发明提供的光子筛主镜双色成像光学系统由光子筛主镜1、分光镜2、第一成像光路3、第二成像光路4构成，光辐射由光子筛主镜1收集并会聚到分光镜2表面，656.45nm波长的光线透过分光镜2并被第一成像光路3会聚成像，587.60nm波长的光线被分光镜2反射到第二成像光路4后会聚成像。

本发明中，所述光子筛主镜双色成像光学系统的口径为300mm，全视场为1°。

本发明中，所述第一成像光路3的中心波长为656.45nm，波段为0.1nm，焦距为3000mm。

本发明中，所述第二成像光路4的中心波长为587.60nm，波段为0.1nm，焦距为1115mm。

图2所示为光子筛主镜1表面通光孔分布示意图。所述光子筛主镜1的口径D为300mm，焦距f为600mm，由若干个通光孔环带组成，每个环带中的通光孔的直径相同。第n个通光环带中心距光子筛主镜1中心的位置r_n为：

$r_n=\sqrt{2nf\mathrm{\λ}+n^2{\mathrm{\λ}}^2}---\left(1\right).$

其中，f为光子筛的焦距，λ为入射光的波长。

第n级透射环带的宽度ω_n为：

${\mathrm{\ω}}_n=\frac{\mathrm{\λ}f}{2r_n}---\left(2\right).$

取光子筛的通光孔直径d_n为1.53ω_n，此情况下，只存在一级衍射光，并且衍射光可会聚为一个清晰的像点。由于r_n的最大值不能超过D/2，故可求得光子筛的总环带数为28137。

由图3所示光子筛主镜的通光孔直径d_n在各通光环带的分布曲线可以看出，d_n的取值范围为2μm～335μm，总通光孔数为6.6563×10⁹。

本发明中，所述分光镜2位于光子筛主镜1右侧599.8mm处，其前后表面均为平面，材料为BK7玻璃，厚度为3mm，对656.45nm波长的光线具有接近100％的透射率，而对587.60nm波长的光线具有接近100％的反射率。

图4所示为第一成像光路3的光路图，第一成像光路3由第一透镜5、第一窄带滤光片6、第二透镜7、第三透镜8、第四透镜9和第一像面10组成。第一透镜5位于分光镜2右侧60.2mm处，材料为BK7玻璃，其前后曲率半径分别为89.523mm、-57.585mm，厚度为15mm；第一窄带滤光片6位于第一透镜5右侧20mm处，其前后表面均为平面，材料为BK7玻璃，厚度为5mm，对656.45nm波长为中心的0.1nm波段的光线具有接近100％的透射率，而对0.1nm波段外的光线的透射率接近于0；第二透镜7位于第一窄带滤光片6右侧20mm处，材料为SF11玻璃，其前后曲率半径分别为36.919mm、27.921mm，厚度为7.5mm；第三透镜8位于第二透镜7右侧30mm处，材料为BK7玻璃，其前后曲率半径分别为56.89mm、83.355mm，厚度为15mm；第四透镜9位于第三透镜8右侧15mm处，材料为BK7玻璃，其前后曲率半径分别为128.324mm、-900.535mm，厚度为15mm；第一像面10位于第四透镜9右侧362.273mm处，其表面为平面，口径为52.361mm的圆形。

图5所示为第二成像光路4的光路图，第二成像光路4由第五透镜11、第二窄带滤光片12、第六透镜13、第七透镜14、第八透镜15和第二像面16组成。第五透镜11位于分光镜2上方120mm处，材料为BK7玻璃，其前后曲率半径分别为89.523mm、-57.585mm，厚度为15mm；第二窄带滤光片12位于第五透镜11上方20mm处，其前后表面均为平面，材料为BK7玻璃，厚度为5mm，对587.60nm波长为中心的0.1nm波段的光线具有接近100％的透射率，而对0.1nm波段外的光线的透射率接近于0；第六透镜13位于第二窄带滤光片12上方20mm处，材料为SF11玻璃，其前后曲率半径分别为37.839mm、28.342mm，厚度为7.5mm；第七透镜14位于第六透镜13上方30mm处，材料为BK7玻璃，其前后曲率半径分别为56.02mm、84.753mm，厚度为15mm；第八透镜15位于第七透镜14上方15mm处，材料为BK7玻璃，其前后曲率半径分别为-129.021mm、901.355mm，厚度为15mm；第二像面16位于第八透镜15上方35.343mm处，表面为平面，口径为19.46mm的圆形。

由图6所示光子筛主镜双色成像光学系统的第一成像光路的MTF曲线可知，该光路的MTF截止频率很高，为152线对/mm。但由于光子筛主镜1的表面存在较多不透光区域，MTF的中频部分损失较大。

由图7所示光子筛主镜双色成像光学系统的第二成像光路的MTF曲线可知，该光路的MTF截止频率更高，为458线对/mm。但由于光子筛主镜1的表面存在较多不透光区域，MTF的中频部分损失也较大。

美国正在研制的FalconSAT-7卫星采用的光子筛主镜成像系统的工作波段仅为0.1nm，且只有656.45nm一个通光光路，仅能实现对太阳的氢原子辐射的特征光谱进行观测。将本发明的光学系统用作空间望远镜时，可同时观测太阳的氢、氦两种原子的辐射光谱，所获得的观测信息量更大。

Claims (10)

1.一种光子筛主镜双色成像光学系统，其特征在于所述光子筛主镜双色成像光学系统由光子筛主镜、分光镜、第一成像光路、第二成像光路构成，光辐射由光子筛主镜收集并会聚到分光镜表面，656.45nm波长的光线透过分光镜并被第一成像光路会聚成像，587.60nm波长的光线被分光镜反射到第二成像光路后会聚成像。

2.根据权利要求1所述的光子筛主镜双色成像光学系统，其特征在于所述光子筛主镜双色成像光学系统的口径为300mm，全视场为1°。

3.根据权利要求1所述的光子筛主镜双色成像光学系统，其特征在于所述光子筛主镜的口径为300mm，焦距为600mm，总环带数为28137，通光孔直径的取值范围为2μm～335μm，总通光孔数为6.6563×10⁹。

4.根据权利要求1所述的光子筛主镜双色成像光学系统，其特征在于所述分光镜位于光子筛主镜右侧599.8mm处，其前后表面均为平面，材料为BK7玻璃，厚度为3mm。

5.根据权利要求1所述的光子筛主镜双色成像光学系统，其特征在于所述第一成像光路的中心波长为656.45nm，波段为0.1nm，焦距为3000mm；第二成像光路的中心波长为587.60nm，波段为0.1nm，焦距为1115mm。

6.根据权利要求1或5所述的光子筛主镜双色成像光学系统，其特征在于所述第一成像光路由第一透镜、第一窄带滤光片、第二透镜、第三透镜、第四透镜和第一像面组成。

7.根据权利要求6所述的光子筛主镜双色成像光学系统，其特征在于所述第一透镜位于分光镜右侧60.2mm处，材料为BK7玻璃，其前后曲率半径分别为89.523mm、-57.585mm，厚度为15mm；第一窄带滤光片位于第一透镜右侧20mm处，其前后表面均为平面，材料为BK7玻璃，厚度为5mm；第二透镜位于第一窄带滤光片右侧20mm处，材料为SF11玻璃，其前后曲率半径分别为36.919mm、27.921mm，厚度为7.5mm；第三透镜位于第二透镜右侧30mm处，材料为BK7玻璃，其前后曲率半径分别为56.89mm、83.355mm，厚度为15mm；第四透镜位于第三透镜右侧15mm处，材料为BK7玻璃，其前后曲率半径分别为128.324mm、-900.535mm，厚度为15mm；第一像面位于第四透镜右侧362.273mm处，其表面为平面，口径为52.361mm的圆形。

8.根据权利要求1或5所述的光子筛主镜双色成像光学系统，其特征在于所述第二成像光路由第五透镜、第二窄带滤光片、第六透镜、第七透镜、第八透镜和第二像面组成。

9.根据权利要求8所述的光子筛主镜双色成像光学系统，其特征在于所述第五透镜位于分光镜上方120mm处，材料为BK7玻璃，其前后曲率半径分别为89.523mm、-57.585mm，厚度为15mm；第二窄带滤光片位于第五透镜上方20mm处，其前后表面均为平面，材料为BK7玻璃，厚度为5mm；第六透镜位于第二窄带滤光片上方20mm处，材料为SF11玻璃，其前后曲率半径分别为37.839mm、28.342mm，厚度为7.5mm；第七透镜位于第六透镜上方30mm处，材料为BK7玻璃，其前后曲率半径分别为56.02mm、84.753mm，厚度为15mm；第八透镜位于第七透镜上方15mm处，材料为BK7玻璃，其前后曲率半径分别为-129.021mm、901.355mm，厚度为15mm；第二像面位于第八透镜上方35.343mm处，表面为平面，口径为19.46mm的圆形。

10.权利要求1-9任一权利要求所述光子筛主镜双色成像光学系统用作空间望远镜观测太阳的氢、氦两种物质成分的比例。