二元光学透镜在资源卫星中的应用

　　1　引言

　　20多年前,基于光的干涉和衍射理论的全息器件就曾用于成像系统,但因其色散显著,且效率太低,应用范围受到一定的限制[1]。1988年,斯沃森(Swanson)和维尔得卡姆(Veldkamp)等人利用衍射光学器件的色散特性校正单透镜的轴上色差和球差,研制了新型的二元光学透镜———多阶相位透镜[2],展示了二元光学透镜用于光学成像系统的巨大潜力和优势。从此在世界范围内,越来越多的光学研究人员开始进行二元光学透镜在光学成像领域的应用研究。其中的一种应用利用了光在传播过程中所具有的折射和衍射两种性质,通常被称为折衍混合成像系统,它不仅可以增加光学设计的自由度,而且能够突破传统光学系统的许多局限性,在改善系统像质、减小体积和降低成本等多方面都表现出传统光学系统无可比拟的优势。此外,二元光学透镜可看成是同轴计算全息透镜,可做成多阶相位型,故衍射效率极高,其色散特性与材料无关,对于红外系统尤为有利,并且可同时实现色散和成像,有利于减化系统结构。近年来由于控制、信息处理等方面的精密电子产品需要,对光学成像系统的轻量化、小型化,及成像质量提出了越来越高的要求,加之微电子、微制造技术的发展,加快了用于成像的二元光学器件和混合成像系统的研究及实用化的步伐。

　　本文提出了在资源卫星光学系统设计中,采用折衍混合系统实现分光成像及消色差,并达到了设计要求。

　　2　二元光学透镜的分光成像、消色差原理

　　2.1　二元光学透镜的分光成像原理

　　二元光学透镜同普通透镜一样汇聚光线,但它是基于衍射原理。由于衍射作用透镜产生色差的有效焦距同波长成反比[3]

　　式中li和l0分别为像距和物距。已知li和设计波长可计算出不同设计波长的像距。如图1所示,二元光学透镜将入射光线沿光轴的方向进行色散,不同波长的光会聚于光轴的不同位置,同一目标的不同波段图像沿光轴方向分层排列,将探测器位于光轴的不同位置就可得到不同波段的图像。

　　2.2　消色差原理[4]

　　传统薄透镜在波长λ对应材料折射率为n(λ)的情况下光焦度为

　　式中c0为近轴曲率。折射率随波长增大而减小,焦距随波长增大而增大;其部分色散为p = (n1-n3)/(n2- n3),符号为正,与材料的折射率有关;而对于二元光学透镜,其部分色散为p = (λ1-λ3)/(λ2-λ3),其色散值一般大于传统透镜,且只与波长有关,其焦距随波长增大而显著减小。基于上述原因,二元光学元件的色散特性与材料的无关性和负向性都非常有利于消色差。