宽谱段折射式长焦光学镜头

　　0　引言

　　干涉成像光谱仪的应用,为人们获取更多更准确的信息提供了极为有力的帮助,简单的理解成像光谱技术就是将干涉仪和成像光学系统结合起来,再通过傅里叶变换的方式获取有关探测目标的光谱信息,作为一个整体它基本由干涉仪、成像系统和付氏镜等组成.

　　在航天摄影系统中,使用较多的是折反和反射式系统[1,2],原因在于这两种系统可以避免折射式光学系统很难消除的二级光谱.对于二级光谱的研究,国内外都有文章研究[3~9],但基本都是集中在传统的可见光范围内进行讨论.而现代光学系统大多采用CCD探测器件,CCD器件的光谱响应范围比人眼更宽,形成了其独特的光学设计要求.另一方面,相对于折反和反射式系统,折射式的光学系统较容易满足视场角的要求.这对于航天摄影系统来说是很重要的,视场角每增大1°,卫星相应的覆盖面积要增大很多,光谱仪在单位时间内所得到的信息量增加更多,有利于减小绕行周期,如此可以节省很多能量,从而延长卫星的使用寿命.因此在选择方案时,更多的考虑了对折射系统的二级光谱进行研究.文中针对应用CCD探测器件的宽谱段、长焦距折射式镜头的设计,提出了修正部分色散(P)和阿贝数(V)的计算公式,并应用于二级光谱理论,得到了预期的设计结果.

　　1　设计理论

　　在应用于可见光范围内的光学系统中,当两种色光消色差,即两种色光的焦点相重合,第三种色光的焦点并不一定与其相重合时,其偏离量就称为二级光谱.对于双胶合的薄透镜组或间隔比较小的双薄透镜组,当入射光束是平行光时,二级光谱可表示为

　　式中:P(Fλ)1表示第一种玻璃的部分色散;P(Fλ)2表示第二种玻璃的部分色散;ν1表示第一种玻璃的阿贝数;ν2表示第二种玻璃的阿贝数;f′表示系统光组的焦距.

　　这就是C光(656 nm),F光(486 nm)两种波长消色差,对波长λ的色光的偏离量.

　　式(1)中PFλ是部分色散NF-Nλ与中部色散NF-NC的比值,称为相对色散.

　　由于接收器件的响应谱段很宽(420~900nm),所以在考虑校正二级光谱时,传统可见光范围内的光学系统的计算公式不能正确反应实际系统的二级光谱的大小,更不能照搬可见光范围内光学系统的二级光谱理论进行设计.因此,需要能符合实际需要的,适应更宽谱段的消二级光谱的计算方法.

　　首先应该选择合适的玻璃,由于航天环境对材料的要求很严,所以这一要求在选用玻璃方面带来一定的限制,只能选用普通玻璃(在航天用玻璃的范围内选取)这对设计这一镜头造成了一定的困难.在设计时选用了三种玻璃进行设计,所选为ZK5、F2和TF3玻璃.