Fery棱镜光谱仪设计

　　0 引言

　　空间光谱成像仪通常采用光栅或棱镜作为分光器件，两者的作用原理不同，因此，具有不同的性质。光栅光谱仪具有较高的光谱分辨率，但是由于衍射级次的影响， 不同级次的光波叠加降低了分光光谱范围。棱镜是利用材料的色散本领进行分光，能够消除衍射级次的影响，但是传统的棱镜分光仪器，光学器件多、系统结构长，这在空间光谱仪的设计中是非常不利的因素。Fery 棱镜是在传统棱镜的基础上在前后表面增加光焦度，不但替代透镜的作用，而且由于采用折/反式结构，系统长度缩短一半，整体结构简化。此外Fery 棱镜光谱仪相对光栅光谱仪无衍射级次影响，光谱范围宽，在宽波段光谱仪中， 使用Fery 棱镜具有独特的优势。

　　太阳光光谱仪属于空间光谱仪，主要实现太阳光辐射强度和太阳光光谱的测量，并以此来研究太阳的活动特点以及太阳内部成分、温度等的变化。文中设计的太阳光光谱仪，光谱范围为300～2 000 nm，光谱范围宽，对分光仪器有特殊要求。利用Fery 棱镜测量光谱范围宽的优点，将其作为主要分光元件，设计太阳光光谱仪的光学系统。

　　1 Fery 棱镜原理

　　光栅棱镜光谱仪采用的器件个数较多，而且透射式结构使整个结构不紧凑， 尤其在大F 数系统中，复杂的结构已经限制了光谱仪应用。采用Fery 棱镜设计光谱仪可以抑制衍射光栅衍射级次的干扰，提高能量利用率，采用折反式结构大大减少了系统体积。Fery 棱镜是一种变化的棱镜，即将传统棱镜的折射面面型从平面变为二次曲面或非球面，这一变化不但增加了设计自由度，同时取代了传统棱镜系统中的准直透镜和会聚透镜，减少了器件的个数[1-3]。更为重要的是，Fery 棱镜的一个表面镀增反膜， 实现了系统的折反式结构， 使成像面和入射面在透镜的同侧，缩短了系统的长度，使系统结构紧凑[4]。Fery 棱镜的色散原理如图1 所示。

　　入射光线通过狭缝S1进入光谱仪， 首先到达Fery 棱镜的前表面，通过设计前表面的曲率和面型实现对入射光线的准直。棱镜对不同波段的光线具有特定的色散能力，当光线经过一定厚度的棱镜后发射色散并到达棱镜的后表面。棱镜后表面镀全波段的增反膜，色散后的光线被后表面反射再次透过棱镜到达接收器[6-8]。在整个系统中，光线两次经过棱镜，实现大角度色散。同时由于采用折反式结构，使得入射光线和反射光线在棱镜的同侧，使系统结构紧凑。

　　2 光学系统设计

　　设计的光谱仪波长范围为0.3～2 μm， 数值孔径要求为0.03，焦距为218 mm。由于波段范围宽，可选择材料有限，根据材料的色散性能， 采用SiO2材料。