一种宽谱段前置光孔远心光学系统

摘要

一种宽谱段前置光孔远心光学系统，其孔径光阑位于透镜组的前焦面上，透镜组包括：位于透镜组前部并弯向孔径光阑的正弯月透镜和负弯月透镜，依次设置了负弯月透镜之后的前双胶合透镜、双凸透镜及后双胶合透镜。前双胶合透镜和后双胶合透镜的胶合面均弯向孔径光阑。前双胶合透镜为负光焦度，正弯月透镜、负弯月透镜与前双胶合透镜的合成光焦度为负光焦度，双凸透镜为正光焦度，后双胶合透镜为负光焦度。本发明解决了技术背景中尚无兼备宽谱段自动复消色差、长工作距、前置光孔及远心特点的光学系统的技术问题。本发明选用中国牌号的光学玻璃配对，容易保证质量，价格低廉，可实现透镜组两侧同时具有长工作距。

说明书

技术领域

本发明涉及一种傅氏光学系统，具体涉及一种宽谱段自动复消色差、长工作距、前置光孔的远心光学系统，可以作为独立的光学系统使用，尤其适用于Sagnac型傅氏成像光谱仪中的傅氏光学系统。

技术背景

Sagnac型傅氏变换干涉成像光谱仪，一般由三组独立的光学成像系统串接构成。前置镜在其位于焦平面处的狭缝上产生目标的一次像，经Sagnac横向剪切干涉仪，狭缝像被横向剪切为二个虚像。狭缝同时又位于傅氏镜的物方焦平面上，傅氏镜输出具有一定剪切角的两个相干平面波，形成干涉条纹。柱面镜把两个平面波的干涉条纹在空间上压缩到一列或一行CCD像元上。傅氏透镜的成像质量既影响干涉成像光谱仪的空间图像质量，又影响复原光谱的光谱分辨率与多光谱图像的S/N，是整个干涉成像光谱仪光谱图像质量的关键。因此，对傅氏透镜的要求非常苛刻，采用了几何弥散、MTF、波像差、出射光线的平行度等多种评价方法进行评价，不论采用那个评价标准，都要求系统具有极优的质量，各种评价值相互转换之后数据都能够相容。

现有光学系统，对于宽谱段自动复消色差、长工作距、前置光孔的远心特征，可具备其中任意二个特点，但尚无具备此全部特点的。

发明内容

本发明的目的在于提供一种宽谱段前置光孔远心光学系统，其解决了技术背景中尚无具备宽谱段自动复消色差、长工作距、前置光孔远心特点的光学系统的技术问题。

本发明的技术解决方案如下：

一种宽谱段前置光孔远心光学系统，包括透镜组2，位于透镜组2前焦面F处的孔径光阑1，其特殊之处在于，所述的透镜组2包括：位于透镜组2前部并弯向孔径光阑01的正弯月透镜201和负弯月透镜202，依次设置于负弯月透镜202之后的前双胶合透镜203、双凸透镜204及后双胶合透镜205；所述前双胶合透镜203和后双胶合透镜205的胶合面均弯向孔径光阑1；所述的前双胶合透镜203为负光焦度，所述正弯月透镜201、负弯月透镜202与前双胶合透镜203的合成光焦度为负光焦度；所述的双凸透镜204为正光焦度；所述的后双胶合透镜205为负光焦度。

上述正弯月透镜201以采用TF3光学玻璃为佳，所述的负弯月透镜202以采用LAK2光学玻璃为佳，所述的前双胶合透镜203以分别由LAK2光学玻璃和TF3光学玻璃构成为佳，所述的双凸透镜204以采用LAK2光学玻璃为佳。

上述后双胶合透镜205以分别由LAK2光学玻璃和TF3光学玻璃构成为佳；所述的后双胶合透镜205也可分别由K9光学玻璃和TF3光学玻璃构成。

上述透镜组2的后方可设置棱镜3，该棱镜3位于透镜组2的后焦点以内。

上述棱镜3以采用Sagnac干涉仪为佳，也可采用K9光学玻璃或其它干涉仪。

本发明具有如下优点：

(1)本发明设计谱段范围为480～960nm，谱段宽度在480nm以上，不但可达到衍射极限；且波差λ/40，弥散斑在10微米之内；系统像质很好，还具有前置光瞳、像方远心特征。

(2)透镜组采用负正负“-+-”的光焦度分配，使物方主面向前推移、像方主面向后推移，可实现透镜组两侧同时具有长工作距。

(3)两个弯月透镜降低了轴外视场光线的高度，拉近了孔径光阑与透镜组之间的距离，减小了两个弯月透镜后面透镜的口径。

(4)整个透镜组在负-正-负反常光焦度分配的条件下，所有像差都能达到合理的校正。

(5)透镜组选用中国牌号的二至三种无色光学玻璃配对，生产工艺成熟，容易保证质量，且价格低廉，消位置色差系统可自动校正二级光谱，而不需要采用通常的对光焦度分配来消二级光谱，为其它像差的校正提供了更多的自由度。可满足校正单色像差及色差的要求，解决了密集型光组中的匹兹伐场曲接近于零。

(6)由于实际孔径光阑位于透镜组的前焦面上，所以满足像方远心的条件。在Sagnac干涉仪中，各视场的主光线都平行于光轴，使轴上、轴外具有相同的光程差。同时远心系统还改善了像面照度，在定位测量系统中使离焦的要求放松。孔径光阑愈靠近透镜组，像质会愈好。

(7)各光谱通道的复原光谱图像信噪比接近光子噪声极限，系统稳定可靠。

(8)由于傅氏透镜主要是与干涉仪匹配的，它的输出是宽谱段的相干平面波，故各视场各色光的波像差至少优于瑞利判据λ//4，本发明各视场各谱段的波像差均值在λ//40左右。从狭缝发出的各色光出射光线的最大平行性误差发生于最大剪切角误差发生在最大孔径处，其值小于0.00022，当孔径略有缩小时，其平行性误差均小于0.0001。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明应用于干涉成像光谱仪中校正色差后二级光谱自动校正的设计像差曲线图。

图3为本发明中心视场MTF达到了衍射极限而边缘视场下降微小的MTF图。

图4为本发明中心视场最大弥散斑、边缘视场最大弥散斑的点列图。

附图标号说明：1-孔径光阑，2-透镜组，201-正弯月透镜，202-负弯月透镜，203-前双胶合透镜，204-双凸透镜，205-后双胶合透镜，3-棱镜。

具体实施方式

本发明是一种宽谱段自动校正二级光谱、具有长工作距及前置光孔的远心光学系统。可以作为独立的光学系统使用，也可用作干涉成像光谱仪中的傅氏透镜，尤其适用于Sagnac型傅氏成像光谱仪中的傅氏光学系统。

孔径光阑1位于透镜组2的前焦面F处，从而具有前置光瞳、像方远心特征。在Sagnac干涉仪中，各视场的主光线都平行于光轴，使Sagnac干涉仪中轴上、轴外光程差相同，且改善了像面照度均匀性。孔径光阑1愈移近透镜组2，轴外像质愈好。本发明用于Sagnac型傅氏变换成像光谱仪中的傅氏透镜，能够满足干涉成像光谱仪中轴上、轴外等光程差要求。在其它应用中，远心系统使像面照度均匀。在测量定位系统中还对离焦不敏感。

透镜组2由五组七片玻璃组成，具体可选用中国牌号的Lak2、TF3或K9等普通玻璃。生产工艺成熟，容易保证质量，且价格低廉。例如，中国牌号的Lak2及TF3玻璃配对，在480nm与960nm校正色差后，由于TF3与Lak2的部分色散系数几乎相同，所以消位置色差系统可自动校正二级光谱，而不需要采用通常的对光焦度分配来消二级光谱，为其它像差的校正提供了更多的自由度。Lak2及TF3玻璃之间有一定的阿贝数差值Δv及折射率差值Δn，可满足校正单色像差及色差的要求。前双胶合透镜203和后双胶合透镜205的胶合面都弯向孔径光阑1，以控制倍率色差。同时正透镜采用高折射率的Lak2、负透镜采用低折射率的TF3，解决了密集型光组中的匹兹伐场曲接近于零。

一个光学系统在满足光焦度要求的前提下校正色差的条件为：

$C_1=\underset{i=1}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_i^2\frac{{\phi }_i}{v_i}=0$

同时校正二级光谱的条件为：

$\underset{i}{\overset{n}{\Sigma }}{h}_i^2\frac{{\phi }_i}{v_i}{P}_i=0$

说明校正C₁后，二级光谱自动校正。在本发明设计中，不但可达到且波差λ/40，弥散班在10微米之内。由于Lak2、TF3这两种玻璃具有非常接近的部分色散系数，所以不需要以光焦度分配为条件，就可实现自动校正二级光谱，且残余二级光谱为0.0002f′。

透镜组2中，正弯月透镜201和负弯月透镜202的光焦度分别为一正一负，合成后相当于一个无光焦度的校正镜组，都弯向孔径光阑1，等价空气间隔为62.5mm，使视场光线的入射角减小，降低了轴外视场光线的高度，同时拉近了孔径光阑1与透镜组2之间的距离，减小了后面透镜的口径。从像差校正要求出发，正弯月透镜201和负弯月透镜202产生了一定量的负S_I、S_II及S_III，以部分对消正光焦度的主要贡献者双凸透镜204产生的正S_I、S_II及S_III。

前双胶合透镜203为负光焦度，双凸透镜204为正光焦度，后双胶合透镜205为负光焦度，正弯月透镜201、负弯月透镜202与前双胶合透镜203的合成光焦度为负光焦度。前双胶合透镜203和后双胶合透镜205的胶合面都弯向孔径光阑1，它们除了与校正组一样也产生负的S_I、S_II及S_III外，更主要的是产生正的C_I及C_II，对消双凸透镜204产生的大部分负的C_I及C_II，使整个透镜组在负-正-负反常光焦度分配的条件下，所有像差都达到合理的校正。由于上述合理的配置，使整个光组的各种像差都达到了完美的校正，并且像差的高级量都控制在合理的数值之内。

本发明透镜组2采用负-正-负的光焦度分配，使物方主面向前推移、像方主面向后推移，以同时达到长的光孔距离及工作距。在加厚透镜条件下，物方工作距间隔大于0.78f′以插入柱面光学系统，像方工作距达到0.71f′以插入Sagnac干涉仪。正弯月透镜201、负弯月透镜202与前双胶合透镜203构成负光焦度前组，它们的合成焦距为：f_1、2、3＝-138.2mm；后双胶合透镜205的焦距f₅＝-41.3mm，两组之间为正光焦度组，焦距为f₄＝26.7mm，构成一个负-正-负的光焦度分配。透镜组2中的正弯月透镜201、负弯月透镜202、前双胶合透镜203、双凸透镜204及后双胶合透镜205之间的间距，可根据设计要求的光焦度、体积、像质等调整设定。

本发明具体实施例中，正弯月透镜201可采用TF3光学玻璃，负弯月透镜202可采用LAK2光学玻璃，前双胶合透镜203可分别由LAK2光学玻璃和TF3光学玻璃构成，双凸透镜204可采用LAK2光学玻璃，后双胶合透镜205可采用K9或LAK2光学玻璃与TF3光学玻璃构成。

本发明透镜组2的后方可设置有棱镜3，该棱镜3等效干涉仪，位于透镜组2的后焦点以内。棱镜3可得到干涉条纹，可扩展本发明的功能和应用范围。取消棱镜3，稍加平衡亦可得到优质的像差质量。棱镜3可置换为Sagnac干涉仪为佳。

经验证：本发明已应用于干涉成像光谱仪中，在CCD奈奎斯特空间频率下，含CCD及电子线路的全系统白光MTF实测值达到0.51，干涉条纹的信噪比约为500，各光谱通道的复原光谱图像信噪比接近光子噪声极限。为了经受苛求的力学环境条件，透镜组2中各透镜具有足够的厚度，经14.4g的随机振动，系统稳定可靠。系统对480nm及960nm两种波长校正色差后，二级光谱同时校正。参见图2，残余二级光谱仅为0.0002f′。

传递函数的计算结果表明，中心视场MTF达到了衍射极限，边缘视场MTF仅下降0.08，当空间频率等于50Lp/mm时，边缘视场MTF＞0.6，参见图3。

从弥散斑尺寸可得知，中心视场最大弥散斑半径为：0.765微米，均方差为0.48微米；边缘视场最大弥散斑半径为5.8微米，均方差为2.6微米。对10微米见方的CCD像元，最大弥散基本上控制在一个像元之内。参见图4。

由于傅氏透镜主要是与干涉仪匹配的，它的输出是宽谱段的相干平面波，故各视场各色光的波像差至少优于瑞利判据，本发明各视场各谱段的波像差均值在λ//40左右。从狭缝发出的各色光出射光线的最大平行性误差发生于最大剪切角误差发生在最大孔径处，其值小于0.00022，当孔径略有缩小时，其平行性误差均小于0.0001。