干涉成像光谱仪中宽谱段傅氏光学系统设计

　　0　引言

　　在嫦娥一号卫星上搭载了一台成像光谱仪,它与χ/γ相配合,用以分析月球表面有用元素成分与物质类型的含量与分布[1].成像光谱仪采用了实体Sagnac空间调制型干涉成像光谱仪[2],其原因是:由于对月球探测的不可预见性,科学家希望获得任意波长上的光谱强度数据,仅干涉型成像光谱仪具有这种功能,其次是Sagnac型干涉仪由于它的共光路原理,使它具有非常强的航天环境适应能力,嫦娥一号卫星的干涉成像光谱仪在轨运行已超过设计寿命一年,从未出现故障,验证了该优点.本文设计了一种用于该干涉仪成像光谱仪的宽谱段前置光孔远心光学系统,该系统可以自动复消色差,能将残余二级光谱很容易控制在千分之一焦距以内.

　　1　傅氏光学系统设计要求

　　与色散型成像光谱仪一样,Sagnac空间调制型干涉成像光谱仪也必须是一个二次成像光学系统,它由前置光学系统、狭缝、Sagnac干涉仪、傅氏光学系统、柱面光学系统及二维焦平面阵列组成.在前置光学系统后焦面上设置的狭缝,其宽度与要求和地面分辨率GSD相匹配,该狭缝同时又位于傅氏透镜的物方焦平面上,系统结构见图1.

　　该光学系统可以被看作是前置光学系统(前置照相物镜)后加入一组投影光学系统(接续光学系统relay lens).为了获取高品质的设计结果与增强航天环境的适应性能力,在本设计中,由傅氏光学系统与柱面光学系统构成的投影物镜是一个缩小倍率为-3.1×的大比尺缩小系统.这样使位于窗口附近,

　　温度环境条件最为恶劣的前置光学系统具有强的环境适应能力,因为它造成的误差被后续投影物镜大大地缩小了,使它对环境条件变得不敏感.设计中,三组光学系统的参量分配见表1.

　　前置光学系统、傅氏光学系统与柱面光学系统三个光组对系统的空间分辨率与光谱分辨率的影响是不相同的.其中对傅氏光学系统的设计要求最为苛刻,它以从狭缝作为物点,追迹出射光束的角像差来衡量.本文研究的是嫦娥一号卫星干涉成像光谱仪中傅氏透镜的光学设计[3].

　　2　傅氏光学系统设计要求

　　根据表1的光焦度分配,傅氏光学系统的设计参量为:1)f′=80 mm;2)2ωp=9.56°; 3)F数=7.34;4)工作波段=480~960 nm;其它约束条件为:

　　1)在狭缝与傅氏透镜间需插入一块厚度为60 mm的平板,它是Sagnac干涉仪展开为平板的形式.

　　2)在CCD与傅氏透镜之间,需插入一个柱面光学系统,在傅氏透镜设计中柱面零件按平板计算.

　　3)傅氏透镜与柱面光学系统共焦,在焦平面上放置面阵CCD,全系统出射光孔与CCD焦平面重合,亦即傅氏透镜焦平面、柱面透镜焦平面、系统出射光孔与CCD焦平面四者共面.