用于高分辨率光谱仪的离轴三反射镜光学系统的设计

　　光谱成像技术是融合光谱技术与成像技术为一体,既能对目标成像又可以测量目标波谱特征,实现对目标特性的综合探测与识别.面对空间遥感,对目标特性的精细化识别中,要求成像光谱仪具有高灵敏度、高分辨率与高能量通过力等优点.当工作轨道高度和探测器尺寸一定时,增大焦距可以提高对地面像元的分辨率.在长焦距的光学系统中,折射系统需要采用特殊的材料和结构来消除二级光谱色差,而反射系统不产生色差,孔径、焦距都可以做得很大,且宜于轻量化.虽然两反系统结构形式简单,但系统自变量少,只有轴上点成像符合理想,视场不能做得很大.不能满足大视场、大相对孔径的要求.在三反系统中,同轴三反射系统虽然结构比较简单,但成像质量受次镜的遮拦影响较大,辐射利用率也不高,降低了光学系统的分辨率,一方面不能有很大的视场,另一方面还要增加口径来保证有一定的接收辐射能量[1].而离轴三反系统不仅能够解决中心遮拦问题而且系统的自变量多达8个[2],解决了光学系统视场问题,同时极大地改善了系统的成像质量.从同轴三反射式光学系统结构参数的基本计算公式出发,根据高分辨率成像光谱仪的技术指标,设计了一种光谱范围为400~950 nm,焦距为1 600mm,相对孔径为1/10,视场角为2w=18°×0.148°的离轴三反射式光学系统,成像质量接近衍射极限.

　　1　设计思想及其步骤

　　离轴三反射系统是在同轴三反射系统的基础上进行离轴、优化得到的[3-4].离轴方法主要有2种:一是将光阑置于主镜上,光阑离轴;二是将光阑置于次镜上,通过视场的倾斜来避免中心遮拦,光阑不离轴.采用光阑离轴的方法,虽然可以使系统结构变得紧凑,但是在较大视场的情况下,成像质量下降得很快.而视场离轴的三反射系统具有更强的像差校正能力,视场大,成像质量好,比较适合大视场和大相对口径的要求,因此该设计采用视场离轴的三反射镜系统来完成.

　　如图1所示,一种类型的三反射面非共轴光学系统的初始结构.在选取初始结构时选用无中间成像的结构,因为中间成像的结构在倾斜入射角较小时,像面可能会遮挡入射光线;倾斜入射角较大时,成像质量又会下降,所以视场离轴的三反系统采用无中间像的共轴三反系统作为初始结构.系统的3个反射面都是二次非球面,孔径光阑与次镜重合,无中间像,通过倾斜视场来实现无中心遮拦.

　　首先要确定同轴三反射系统的结构参数.一般来说,给定的有关结构方面的条件和系统的长度要求情况下,可以用3个间隔为给定的条件,即把主镜

　　求出初始结构参数后,将光阑置于次镜上,在保证焦距为定值的条件下,对系统的结构参数进行微量的优化,即可得到很好的像质.然后中心视场离轴,选取合适的倾斜角,避免中心遮拦,同时适当调节各个镜面的离轴量,使结构更加合理.反复进行优化,直到整个系统无遮拦而且成像质量接近衍射极限为止.在优化过程中,应尽量保持间隔d1、d2、d3不变,否则像差平衡的结果会大幅度增加d1、d2、d3,使系统总长度变大.也不能无限制地优化视场和各个镜面的离轴量,否则系统会减小离轴量,趋向于同轴系统来达到提高像质,即此时离轴量不应作为优化变量,最好能用手动控制.