大視場(chǎng)長焦距遠(yuǎn)心離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

大視場(chǎng)長焦距遠(yuǎn)心離軸三反光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

0大視場(chǎng)、長焦距、像方遠(yuǎn)心離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)研究圖像光譜是利用高空間分辨率和高光譜分辨率在地震平臺(tái)上獲得地震光譜圖像的遙感機(jī)器。近年來，它在農(nóng)業(yè)、森林、水、土壤、采礦等資源勘探方面取得了廣泛應(yīng)用。隨著空間遙感應(yīng)用的不斷深入,要求成像光譜儀在大視場(chǎng)的條件下獲得高分辨率,因?yàn)橐晥?chǎng)越大則刈幅寬度越大,儀器的回訪周期就越小;分辨率越高,就可在多項(xiàng)應(yīng)用中提供更加豐富的數(shù)據(jù)和研究方法。因此新一代成像光譜儀的發(fā)展趨勢(shì)為小型化、輕量化、大視場(chǎng)、高分辨以適應(yīng)多種搭載平臺(tái)和觀測(cè)需求。成像光譜儀的整個(gè)光學(xué)系統(tǒng)由前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)和光譜成像系統(tǒng)組成,因此這兩個(gè)系統(tǒng)的選擇直接關(guān)系到超光譜成像儀的體積和質(zhì)量。在光譜成像系統(tǒng)方面,由于傳統(tǒng)的在準(zhǔn)直光束中使用光柵或棱鏡的方法存在著譜線彎曲的缺點(diǎn),且難于降低體積和質(zhì)量,近年來出現(xiàn)的Offner光譜成像系統(tǒng)既實(shí)現(xiàn)了光譜成像系統(tǒng)的小型化和輕量化,又解決了譜線彎曲和色畸變的問題。Offner光譜成像系統(tǒng)有凸球面光柵和曲面棱鏡兩種形式。美國的Hyperion和COIS等超光譜成像儀采用Offner型凸球面光柵結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)光譜分離;而歐空局(ESA)的CHRIS采用的是Sira公司發(fā)明的Offner曲面棱鏡光譜成像系統(tǒng)獲得目標(biāo)狹縫不同波長的圖像。由于Offner光譜成像系統(tǒng)優(yōu)越的特性,國內(nèi)越來越多的研究人員開始對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)和研究。中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所鄭玉權(quán)等較早開始相關(guān)研究,并給出了兩種結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)結(jié)果和優(yōu)缺點(diǎn)分析;蘇州大學(xué)季軼群等研制了Offner凸面光柵成像光譜儀;近年,中國科學(xué)院長春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所薛慶生等在大視場(chǎng)高分辨力星載成像光譜儀方面做了大量工作。文中根據(jù)成像光譜儀的發(fā)展趨勢(shì),結(jié)合Offner光譜成像系統(tǒng)用于大視場(chǎng)、高分辨成像光譜儀時(shí),對(duì)其前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)的特殊要求,給出一種大視場(chǎng)、長焦距、像方遠(yuǎn)心離軸三反光學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法。并根據(jù)實(shí)際需求,設(shè)計(jì)了一款焦距800mm,相對(duì)孔徑1/4,視場(chǎng)達(dá)8.6°×0.148°,工作在0.9~5μm紅外波段的離軸三反消像散望遠(yuǎn)系統(tǒng),分析表明該系統(tǒng)成像質(zhì)量接近衍射極限,滿足Offner型成像光譜儀前置系統(tǒng)的要求。1離軸三反消像散結(jié)構(gòu)的選擇成像光譜儀要實(shí)現(xiàn)其大視場(chǎng)掃描,可采用兩種方案:短線陣擺掃式和長線陣推掃式。擺掃式可實(shí)現(xiàn)非常寬的掃描視場(chǎng),但對(duì)地元駐留時(shí)間短,難以在有限口徑下實(shí)現(xiàn)高的地元分辨率。推掃式具有無運(yùn)動(dòng)部件、可靠性強(qiáng)、地元駐留時(shí)間長等優(yōu)點(diǎn),在分辨率、數(shù)據(jù)速率和信噪比分析等方面均優(yōu)于擺掃式。因此,Offner型成像光譜儀宜選用推掃式成像,要求其前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)具有大視場(chǎng)。Offner型成像光譜儀前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)覆蓋的波段寬、視場(chǎng)大、分辨力要求高,因此前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)宜采用離軸三反消像散(Off-axisThree-mirrorAnastigmatic,TMA)結(jié)構(gòu),TMA是目前較流行的反射式結(jié)構(gòu),其由三塊非球面反射鏡組成,通過對(duì)視場(chǎng)或光闌合適的傾斜和離軸,實(shí)現(xiàn)無中心遮攔,同時(shí)具有分辨率高、體積小、平像場(chǎng)等優(yōu)點(diǎn)。TMA的離軸方式主要有三種:一是光闌置于主鏡上,光闌離軸;二是光闌置于次鏡上,中心視場(chǎng)傾斜,光闌不離軸;三是在光闌離軸的同時(shí),視場(chǎng)也離軸。采用光闌離軸的方法,雖然可以使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)變得緊湊,但是由于結(jié)構(gòu)不對(duì)稱,難以實(shí)現(xiàn)大視場(chǎng)。而視場(chǎng)離軸的TMA光闌放在次鏡上,類似于經(jīng)典的Cooke三片式系統(tǒng),結(jié)構(gòu)較對(duì)稱,易于裝調(diào),具有更強(qiáng)的像差校正能力,視場(chǎng)大,成像質(zhì)量好,并且容易實(shí)現(xiàn)像方遠(yuǎn)心,從而實(shí)現(xiàn)與Offner光譜成像系統(tǒng)的光瞳匹配,因此,在設(shè)計(jì)其前置系統(tǒng)時(shí)宜選擇視場(chǎng)離軸。此外,三反射鏡系統(tǒng)根據(jù)中間是否成實(shí)像以及成中間實(shí)像的位置可分為三種類型:中間不成像、主次鏡間成一次像和次鏡三鏡間成一次像。雖然有中間像面的結(jié)構(gòu)具有較好的消雜光能力,但其視場(chǎng)較小,且在視場(chǎng)離軸時(shí),像面可能會(huì)遮擋入射光。而Offner型成像光譜儀前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)像面處存在入射狹縫,具有良好的雜光抑制能力。綜上所述,對(duì)于Offner型成像光譜儀應(yīng)選用中間不成像的視場(chǎng)離軸三反消像散結(jié)構(gòu)作為其前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)。典型Offner型成像光譜儀結(jié)構(gòu)如圖1所示。2孔徑光充系統(tǒng)離軸三反系統(tǒng)是以共軸三反系統(tǒng)成像理論為基礎(chǔ),進(jìn)行離軸優(yōu)化得到的。因此,首先由共軸三反系統(tǒng)求解系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)。圖2中,f′為共軸三反系統(tǒng)的焦距,三個(gè)反射鏡M1,M2和M3的頂點(diǎn)曲率半徑分別為R1,R2和R3,主鏡M1與次鏡M2間隔為d1,次鏡M2與三鏡M3間隔為d2,三鏡M3與像面的間隔為d3。由幾何光學(xué)成像理論可知,為了使共軸三反系統(tǒng)成為像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng),將孔徑光闌置于次鏡M2處,并使孔徑光闌到三鏡M3的距離d3為三鏡M3頂點(diǎn)曲率半徑R3的一半,即孔徑光闌位于三鏡M3物方焦點(diǎn)處,此時(shí)三反系統(tǒng)為像方遠(yuǎn)心光學(xué)系統(tǒng),即系統(tǒng)遠(yuǎn)心條件為:同時(shí),根據(jù)三級(jí)像差理論有以下關(guān)系:將公式(1)代入公式(2),得:結(jié)合平像場(chǎng)條件在給定的系統(tǒng)焦距f′和長度要求情況下,可以用三個(gè)間隔d1,d2和d3作為已知條件。將公式(3)~(5)聯(lián)立方程組,其中f′、d1、d2、d3為已知量,方程組自由變量只有R1,R2和R3三個(gè),則可通過編程求解出三個(gè)鏡面在頂點(diǎn)處的曲率半徑R1,R2和R3。在求解系統(tǒng)二次非球面系數(shù)時(shí),傳統(tǒng)的做法是由R1、R2、R3、d1和d2代入公式(6)可求出次鏡對(duì)主鏡的遮攔比α1,次鏡對(duì)三鏡的遮攔比α2,次鏡的放大率β1,三鏡的放大率β2。再由求出的輪廓尺寸系數(shù)代入初級(jí)像差公式,求得三個(gè)反射鏡面的二次非球面系數(shù)-e12、-e22、-e32。系統(tǒng)八個(gè)結(jié)構(gòu)參數(shù)即全部確定。再將系統(tǒng)參數(shù)輸入光學(xué)設(shè)計(jì)軟件(如ZEMAX、CODEV等)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。然而,更簡(jiǎn)便的方法是將求得的R1、R2、R3以及給定的d1、d2和d3輸入到光學(xué)設(shè)計(jì)軟件,通過程序優(yōu)化直接求得系統(tǒng)的同軸結(jié)構(gòu)參數(shù),再離軸優(yōu)化。文中在采用傳統(tǒng)方法求解初始結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上,采用軟件優(yōu)化方法設(shè)計(jì)系統(tǒng)的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。3zemx系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)實(shí)際需求,要求光譜儀在H=800km的衛(wèi)星平臺(tái)上,刈幅寬度GW=120km,光譜覆蓋范圍為0.9~5μm,地面像元分辨率GSD=30m,所選用的短波和中波紅外探測(cè)器尺寸均為a=30μm,則由公式:求得前置光學(xué)系統(tǒng)的技術(shù)指標(biāo)為:焦距f′=800mm;視場(chǎng)角ω在X方向±4.3°,Y方向±0.074°;相對(duì)孔徑D/f=1/4(使其像方數(shù)值孔徑與Offner光譜成像系統(tǒng)相匹配);要求系統(tǒng)成像質(zhì)量優(yōu)良,達(dá)到衍射極限。這是一個(gè)長焦距、大視場(chǎng)的光學(xué)系統(tǒng),考慮到系統(tǒng)的工作環(huán)境,并使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、體積小,取|d1|=|d2|=400mm,|d3|=600mm,此時(shí)主鏡和三鏡共面,可固定于同一基底上。在初始結(jié)構(gòu)求解過程中,采用傳統(tǒng)方法通過公式(3)~(6)編寫MATLAB程序解得光學(xué)系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)參數(shù)如表1所示。將通過公式(3)~(5)求得的R1、R2、R3以及給定的d1、d2和d3輸入到ZEMAX軟件,將光闌置于次鏡上,將二次非球面系數(shù)-e12、-e22、-e32作為變量,保證焦距f′不變。先同軸優(yōu)化求得系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù),再使中心視場(chǎng)離軸,選取合適的傾斜角,反復(fù)進(jìn)行優(yōu)化,直到整個(gè)系統(tǒng)無遮攔,且成像質(zhì)量接近衍射極限。對(duì)同軸三反系統(tǒng)進(jìn)行離軸優(yōu)化時(shí)遵循了以下幾點(diǎn)原則:(1)為了便于加工,盡量不使用高次非球面系數(shù);(2)為了小型化,系統(tǒng)筒長不應(yīng)大于系統(tǒng)的焦距;(3)為了確保裝調(diào)精度,避免了反射鏡的傾斜,只使用系統(tǒng)中心視場(chǎng)傾斜。優(yōu)化后系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)如表2所示,與表1比較可見,軟件優(yōu)化得到的最優(yōu)結(jié)構(gòu)參數(shù)與公式求得的初始結(jié)構(gòu)較接近,證明了直接優(yōu)化方法的合理性。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3所示。其主鏡為凹雙曲面鏡,次鏡為凸橢球面鏡,三鏡為凹扁球面鏡。三個(gè)反射鏡和孔徑光闌均無偏心和傾斜,只是中心視場(chǎng)傾斜7.5°實(shí)現(xiàn)無遮攔。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)尺寸約為686mm(z)×400mm(y)×420mm(x)。當(dāng)在Offner型成像光譜儀中應(yīng)用時(shí),可在前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)焦平面前放置一塊鍍有半透半反膜的平行平板,實(shí)現(xiàn)0.9~2.5μm短波紅外(SWIR)和3~5μm中波紅外(MWIR)的分離,并通過不同的Offner光譜成像系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)光譜分光。下面通過ZEMAX軟件的多重結(jié)構(gòu)功能分別對(duì)SWIR和MWIR譜段系統(tǒng)的成像質(zhì)量進(jìn)行評(píng)價(jià)。圖4中(a)、(b)分別是工作波段為短波紅外(SWIR)和中波紅外(MWIR)時(shí),前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)各個(gè)視場(chǎng)在像平面上的點(diǎn)列圖。光線追跡得到的點(diǎn)列圖均在愛里斑內(nèi),達(dá)到系統(tǒng)的衍射極限。圖5中(a)、(b)分別是SWIR和MWIR波段系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)曲線。對(duì)于SWIR波段在Nyquist頻率(16.7lp/mm)處的MTF=0.85;對(duì)于MWIR波段在Nyquist頻率(16.7lp/mm)處的MTF=0.65,均達(dá)到衍射極限。圖6中(a)、(b)分別為SWIR和MWIR波段系統(tǒng)的能量集中度曲線,在SWIR波段95%的能量集中在探測(cè)器單個(gè)像元內(nèi);在MWIR波段90%的能量集中在探測(cè)器單個(gè)像元內(nèi)。圖7為系統(tǒng)的場(chǎng)曲和畸變曲線,系統(tǒng)畸變的大小影響進(jìn)入光譜成像儀的光譜信號(hào)保真度,要求它越小越好,該物鏡在用到