衍/折射光学系统消二级光谱的研究

【摘要】：研究了成像光谱仪光学系统在宽光谱(光谱波段420.0～900.0nm)、长焦距(450mm)、大口径(D=100mm,F/4.5)、大视场(2ω=3.0°)条件下,采用衍/折光学系统取得高质量图像的可能性。 研究了衍/折射物镜消二级光谱方法、步骤,推导了三片型衍/折射光学系统消二级光谱的焦距分配公式。设计了复消色差系统,其中2种为采用含有二元光学元件的衍/折射系统,一种全部采用玻璃设计,并进行了对比。 首次采用P-W-C法求解衍/折射薄透镜系统的初级像差方程。采用3个镜片组合,设计了衍/折混合光学系统,第1片和第3片为普通玻璃制成的透镜,第2片为二元光学透镜(BOL)。二元光学透镜结构参数为:台阶数为8,环带数为60,最小线宽52.1μm。设计的物镜在0.6孔径处三条色球差曲线都定于一点,在0.8～0.9孔径处的效果也很好;各波长的轴上(0孔径)近轴焦点最大内距为0.25mm;频率为301p/mm时系统的光学传递函数在0.5°视场角以下接近衍射极限,边视场角的传递函数系数接近0.7。两种设计对比表明:采用衍/折混合光学方法设计的透镜的各项参数成像质量大大优于普通玻璃设计的系统,重量比普通玻璃设计的系统轻30%,满足了高光谱成像仪的光学设计要求。 首次研究了空间真空环境对衍/折射混合复消色差光学系统的影响,推导了压力变化对衍/折混合光学系统像面漂移的公式。温度变化时,衍射元件的热膨胀系数只是基体线性材料膨胀系数和像空间介质折射率及其对温度的导数的函数,与基体材料的折射率及其对温度的导数无关。