（光学工程专业论文）衍折射光学系统消二级光谱的研究.pdf

科研道德声明 秉承联究骈严谨汝学琏鼍 荛起秘科学遥鏊，本人i 明瓣呈交鞠沦文是我令a 在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。论文中所引朋的内容都已给予 了秘确黪液释泰l 致霭| 。弓我一嚣l 二纷静嗣志对本餮 究掰戳的任籽蚕献均已在沦文 中作了明确的说明并裘示了致谢。 率请学位论文与爨瓣若有不实之娃，木入乐疆一秘翱关责 壬。 论文作者躲雠日胍型壁竺 知识产投鸯明 本人宠全了瓣中科院珏安光学精密机娥骈究所有关探护知识产权的规定 即：研究生在所攻读学位期间论文工作的知识产权单位累巾科院西安光学精密机 械研究所。本a 保证离鼹后，发袅基于研究生王作的论文戎使用本沦文工作成果 时必须链得产权单位的同意，同意后发表的学术论文署名单位仍然为巾科院西安 光学糖畿亳f t 械研究所。产较单位囊较保留送交论文的复印件，允洚论文被查阅秘 借阔；产权单位可以公布论文的垒部或部分内容，可以采用影印、缩印或其它复 翻手段像存论文。 保密的论文在解密后应遵守此规定 论文据者签名 日期埘沙妒 导l 季签名：整鹾 日期：塑- ! 兰 衍折射光学系统消二级光谱的研究 摘樊 诺究了藏豫光谱纹竞学系统在宽毙落( 光谱渡段4 2 0 ，9 9 0 0 0 r i m ) 、长 焦距( 4 5 0 m m ) 、大口径( d = 10 0 r a m ，f 4 5 ) 、大视场( 2 。= 3 0 。) 条件下， 采用锈，拆光学系统取得赢骐曩图像的可能性。 研究了衔，拼射物镜消二二级光谱方法、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。设汁了复消色差系统，其中2 种 惫采蕊含有二元毙学元箨秘掰，折射系统，一秘全部罴爱瑗璃设诗，势送 行了对比。 酋次采厝，w - c 法求解错折射薄透镜系统的初级像差方程。采用3 个镜片缀合，设计了橱，拆混合光学系统，篱1 片和第3 冀为蔷通瑗璃蠲 成的迸镜，第2 片为二元光学透镜( b o l ) 。二元光学透镜缩构参数为： 台蹬数受8 ，强繁数为6 0 ，最小线宽5 2 1 # m 。设主辛懿物镜寝o 6 孔径处 三条包球差曲线都定于一点，在o 8 0 9 孔径处的效果也报好；各波长的 轴上( o 孔径) 近轴焦点最大内距为o 2 5 r a m ；频率为3 0 1 p m m 时系统的光 学传遂函数在o 5 。疆场角| 噩一b - 接近锸篱幸极疆，透视餐角豹传递函数系 数接近o 7 。两种设计对比表明：采用衔，折混台光学方法设计的透镜的 各项参数戒像度爨大犬优予落逶玻璃璇讨的系统，重量比普通玻璃设诗 的系统轻3 0 ，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w ：境对衔拼射混合复消色差光学系统的影响， 箍霉了压力变纯瓣秘，辑淀含光学系黢稼蠹漂移麴公式。澈嶷交玩时，辑 射元件的热膨胀系数只是撼体线性材料膨胀系数和像空问介质折射率及 其对瀑度的导鼗始函数，与基体材料的折射率及其对温度的导数无关。 关键谪：高竞谱戍像仪；辑射竞学：二缓竞谱 衍折射光学系统消二级像差的研究 a bs t r a c t t h ep o s s i b i l i t yo ft h eo p t i c a ls y s t e m so fh y p e r s p e c t r a li m a g i n g s p ，e c t r o s c o p e ( l t i s ) t o g e th i g h e rq u a l i t yp i c t u r e s b yu s i n gh y b r i d d i f f r a c t i v e r e f r a c t i v eo p t i c a ls y s t e m ，u n d e r t h ec o n d i t i o n so fw i d e s p e c t r u m ( s p e c t r u mr a n g e 4 2 0 0 9 0 00 n m ) ，l o n gf o c u s ( 4 5 0 m m ) ，w i d e a p e r t u r e ( d = 1 0 0 m m ，f 3 5 ) ，w i d ef i e l da n g l e ( 26 3 = 3 0 。) h a sb e e ns t u d i e d i nt h i sd i s s e r t a t i o n t h em e t h o da n ds t e p so fc o r r e c t i n gs e c o n d a r ys p e c t r u mh a v e b e e n s t u d i e di nt h i sd i s s e r t a t i o na n dt h ef o c u sd i s t r i b u t i o nf o r m u l ai sd e d u c e df o r 3p i e c e sd i f f r a c t i v e r e f r a c t i v eh y b r i do p t i c a ls y s t e mt oc o r r e c ts e c o n d a r y s p e c t r u m 3k i n d so fa p o c h r o m a t i cs y s t e m sa r ed e s i g n e d ，t w o o ft h et h r e e a r ed i f f r a c t i v e r e f r a c t i v eh y b r i do p t i c a ls y s t e m s ，a n da n o t h e r o n ei s r e f r a c t i v es y s t e m s t i l ec o m p a ti s o no ft h e s ed i f f e r e n c e si sg i v e n t h ep r i m a r ya b e r r a t i o ne q u a t i o no ft h ed i f f r a c t i v e r e f r a c t i v eh y b r i d t h i n l e n ss y s t e mi ss o l v e db yt i l em e t h o do fp w - cf i r s t l yt h r o u g ht h e c o m b i n a t i o no f3p i e c e so fl e n s e s ，t h ed i f f r a c t i v e r e f r a c t i v eh y b r i do p t i c a l s y s t e mi sd e s i g n e d ：n o 1a n dn o3a r ec o m m o ng l a s s e s ，a n dn o 2i sb i n a r y o p t i c a ll e n s ( b o l ) c o n f i g u r a t i o np a r a m e t e r so fb i n a r yo p t i c a ll e n s e sa r e ：t h e n u m b e ro fs t e p si s8 ，t h en u m b e ro fr i n gs t r i p si s6 0 ，t h em i n i m u ml i n e w i d t hi so 0 5 2 1 m m t h el o n g i t u d i n a la b e r r a t i o ni sg o o de n o u g hi no6a n d o 8 ，o 9a p e r t u r ef o rt h el e n s e st h em a x i m u mi n n e rd i s t a n c eo fp a r a x i a lf 0 a p e r t u r e lf o c a lo fa l lw a v el e n g t hi so 2 5 m m w h e nf r e q u e n c yi s3 0 1 p m m ， t h em o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ( m t f li sn e a rd i f f r a c t i v el i m i tu n d e r0 5 f i e l da n g l e ，t h em o d u l a t i o nt r a n s f e rf u n c t i o n ( m t f ) i sn e a r0 7i ne d g ef i e l d t h ec o n t r a s to ft h et w ok i n d so f d e s i g n s h o w s ：t h e d e s i g n o f d i f f r a c t i v e r e f r a c t i v eh y b r i do p t i c a ls y s t e mi sb e t t e rt h a nt h ed e s i g nb y u s i n gc o m m o ng l a s s e si ne v e r yi n d e x e sa n dq u a l i t yo fi m a g e ，t h ew e i g h to f d i f f r a c t i v e r e f r a c t i v eh y b r i do p t i c a ls y s t e mi s 3 0 l i g h t e r t h a nt h ew e i g h t o fs y s t e m d e s i g n e dt h r o u g hu s i n go fc o m m o ng l a s s e s t h e d e s i g no f d i f f r a c t i v e r e f r a c t i v eh y b r i do p t i c a ls y s t e mm e e t st h eo p t i c a ld e s i g nd e m a n d o fh y p e r s p e c t r a lh n a g i n gs p e c ”o s c o p e ( h i s ) t h ev a c u u me f f e c t o i ld i f f r a c t i v e r e f r a c t i v e h y b r i da p o c h r o m a t i c o p t i c a ls y s t e mh a sb e e ns t u d i e df o r t h ef i r s tt i m e ，t h ef o r m u l ao ft h e p r e s s u r ec o r r e s p o n d i n gt ot h ee f f e c to fi m a g ep l a n ei sd e d u c e dw h e nt h e 衍折射光学系统消二级光谱的研究 t e m p e r a t u r ei sc h a n g i n g ，t h et h e r m a ld i l a t a t i o n c o e f f i c i e n to fd i f f r a c t i v e e l e m e n ti st h ef u n c t i o no ft h ed i f f er e n t i a lc o e f f i c i e n to fb a s el i n e a r d i l a t a t i o nc o e f f i c i e n ta n d _ l m a g es p a c er e f r a c t i v ei n d e x ，a n d h a sn o r e l a t i o n s h i pw i t ht h er e f r a c t i v ei n d e xn ft h eb a s em a t e r i a la n d t h ed e r i v a t i v e o ft e m p e r a t u r e k e yw o r d s ：h y p e r s p e c t r a li m a g i n gs p e c t r o s c o p e ( h i s ) ，d i f f r a c t i v eo p t i c s s e c o n d a r ys p e c t r u m l i i 第一章研究现状及背景 第一奄研究现状及背豢 现代辩攀技术的发震对威幢墙的探溅仪器露求越柬越高，高罐艘、餐能化和 小型化睡至微型化成为最基本的婺求。在科学技术发展中的光学仪器仅以透镜、 糙镱为主、聂光枕电集成麓趋势下，越寒越整褥重、走、笨，雹就磷铡小型、旋 性链毂巍学霜器箨已刘甭容缓”。 传统照相机获得的燎目标的几何影像信息，随着光学技术的艘媵，人们所需 臻的信息蹙多方面的，不能仅仅蔑几何影像信息了，因而提出了雾光谱扫箍议的 概念，趣它只麓提供秘标在有黼几个谱段范瑚静光谱黼像信意。随着仪器分辨率 携甭馥摄甍，也要求馒躅大孔经光学残像系绕，对于空糊光学系统鬼滋，重壁都 体积还受运载工具黪避铡。困她，寻求帮靛展毅的高分辨窭成像概念鄂技术，己 成为世界备室恻大豳觉相研究的热点”“。 戚像光谱仪蹙2 。煎纪8 0 年代野始在多光谱遥感蔽艨技术豹萋礴土发震越泉 韵，它以簿光谱分辨率获驳景物或籀标辩离光谱窝稼，程靛空、航天器土遘嚣涟 地、大气、海洋等观刹中有广泛的应用”“3 。 成德光谱仪鲍光学系统出横向夔切干涉仪和成露光学系统两部转组成，蹶个 系统之间的互相匹配是光学系统设计的难点。横向剪切_ f 涉仪是干涉型超光谱成 豫筏驹核心2 “”。 戚橡光谌坟掰逡瘸豹c c d 搽溅器羹本参数中与光学系笺穗荧扮褒”： 像元数：5 1 2 x 5 1 2 ：像元尺寸：l8 p m 1 8 m ：帧频：5 0 0 f p s 。 撮据攘测器虢参数以及孰道离度h = 5 0 0 k m ，地元分辩率d s = 2 0 m ，戒豫系镜 的光学参数为： 焦照：4 5 0 m m ：总褪场蹙：3 0 。：瓣魁援疑：o0 4 m r a d ；始对琵径： 雎5 。 鼠竞学系绞麴基零撩标霹以嚣出，扰光学系统霸主簧设计麓点簿三个，蹙 使用谬段宽，短波端几乎延伸到可见光的擐短波长；二韪光学系统的焦距较蚝， 给选越造成定潮难：三是为了器力械小干涉仅韵尺寸，总体设计主要求撤入辫 光孔麓子干涉仪分荣黼上，从而馕孔径光阑远离光学系统，大大增蕊了光学豢绫 衍折射光学系统消= 级光谱的研究 的实际孔径，d n a t 设计难度。由此带来的二级光谱的问题更是难以解决。一般 照相物镜，因为焦距短、光谱范围小( 一般为可见光波段) ，所以结构比较简 单，有时用一块双胶合透镜即可。但对我们上面所要求的光学系统来说，即便采 用允许使用的t f 系列等的消二级光谱的特殊玻璃，其光学结构也会变得非常复 杂，其中最困难的是高级色差校_ f 。二级光谱和单色像差不同，它不但随孔径或 视场增大而增大，而且使用波段变大也会增大二缎光谱。成像光谱仪光学系统不 但焦距氏，而且波段范围特别宽，在c c d 奈奎斯托空f 频率2 8 1 p m m 上要求有 较高的吖盯，二绒光谱的控制成为第一要求，而且为消二级光谱，还会引发系统 的单包像差校f 的困难。 1 1 二级光谱的研究历史”“ 折射式物镜无中心遮拦，且折射前后折射率差值小( 反射式为2 ) ，加工、装 配及检测技术相对成熟，所以在光学仪器中使用较多。但它存在色差，特别是与 焦距长、相对孔径较大、光谱范围较宽时，色差常成为限制折射式物镜使用的主 要障碍。 最早的望远物镜于1 6 0 9 年为荷兰人j o h a n n l i p p e r h e y 所发明，以后伽利略用 柬作天文观测发现了木星的卫星。他的望远镜是由单f 透镜和单负透镜所组成 的，由于它没有中i 刈实像，所以不能用作精确定位。以后的天文望远镜都是丌普 勒式的，是丌普勒1 6 1 1 年发明并用于天文观测的。它由两个单f 透镜所组成，由 t1 于单透镜色差，。，= 二厂，以k 9 玻璃为例，a l 。，= 去，要使它小于焦深必颈 ro q 有”，s i n2 “6 4 z( 位置色差小于焦深) ，则由此得出通光孔径2 0 0 r o t a t e ， 应大于3 2 0 m ，因为要达到高倍率就必须有很大的长度。j h e v e l 在1 6 7 3 年建造了 一个m a c h i n a c o e l e s t i s 物镜，焦距长达4 5 m ，其孔径仅2 0 0 r a m 。 1 7 2 9 年，c h e s t e r m o o r h a l l 推导出了双胶合的消色差理论，并根捌陔i * 沦加 工r 一些消色差物镜。但他没有认识到这项工作的重要性，随后就放弃了他的研 究。此后到1 7 5 0 年，jd o l l o n d 注意这一点并7 r 始了他的研究，1 7 5 8 年j d o l l o n d 已 经能造出直径为1 4 0 r a m 的消色差物镜，但1 妇于没有好的火石玻璃，他的物镜世未 能广泛使用。p lg u i n a n d 在1 7 9 9 年生产出合乎光学要求的火石玻璃，f r a u n h o f c r 第一章研完现状及背景 涮造了几令望运镜，饺簿辑射式塑远貔镜占攥了上强。纛到1 9 壁纪镪，为裁遣鬻 远镜，f r a u n h o f e r 解决了一系列的光学工业问题，如：折射率的精确测定，牛顿 环做表面质量检查，用适当半径的分离双透镜同时校诈球差、色差和骜差，消色 差豹涪线逸择鞭精麴光谱灵敏壤测定) 等。 8 2 4 年- f r a t m h o f e r 磷制出了褶当完 美的当时最大的折射，毛文望远镜，其直径达2 4 4 m m ，焦距4 3 4 m ，以后的折射颦 远口径镜出于玻璃制造技术搬工工艺的成熟蕊逐渐趣犬。 大型翅远镜能否发展决定性的因素是缺乏大尺寸的优质玻璃材料。熔制光学 均匀性好、直径大的玻璃，现在来| 兑也是比较困难的，它限制了折射式望远镜的 菠曩。毽逮还不是最蕊本匏，最蕊本豹疆割在于垂重变形郛二缎巍落。折赫韵镜 只能由遴镜的边缘支持，当直径大到一定程度后自重会引起过大的变形。透镜的 、2 厚度也不能太大，一般在1 8 麓高，嚣是羹变形与譬l d1 d 2 s ：威手觉固 o 、a ， 为直径，d 为厚度，p 为材料比熏，e 为弹性模量，= 为倾斜角) 。所以变形随 直径的平方蔼变簿萎严重，一般累说，摄射甥壤壹径趣过l m 已不走现实。 二级光谱问题对折射式长焦距物镜有比较严重的影响，下面还鼷洗到。 反射式望远镜没有色差，更不会有二级光谱，在早期望远镜的研究中，反射 式望远鞠镜是避免穰龟离题鞠最理想静望遗物镜。反射式望远镜的超源与折射式 同样古老，撮早在1 6 1 6 年z u c c h i u s 就用反射镜做成一个耀远镜，以蜃牛顿也设计 了娃娃名字鑫名静反射式望远锾。在这些先鞋誉之蜃，j h a d l e y 按照牛顿式 筝出 了大孔径天文望远镜，直径1 5 0 r a m ，焦距15 o m ，用于蟪圈争家学会。1 7 8 7 年- ， 天文学象w 郝歇尔建成了直径l2 2 m ，焦距1 2 m 用于天文观测的厦射式望邋 镜。牛顿反射式望远浚的发镑馁褥戮爱一个多整纪豹秘学家挺茳惑力都羧蟊了反 射式望远镜上，在望远镜上又有了许多发明，如1 6 7 2 年发明著名的卡塞格林 f e 3 s s e g r a i nt e l e s c o p e ) 式反射望逡穗、1 6 7 3 年英国物理学家和天文学家j 格雷鬃鐾 所发明格幕高利( g r e g o r i a n t e l e s c o p e ) 式反射望远镜，发射式望远镜的最大优点是 没有色蕺且价格便宜。 罩端爱射镜翁主要疑点燕金属裹瑟爱袋率太低，还戮为没有矮鬟撞壹静宵 法，难蚪作出高质量的反射望远镜，金属的自重变形及内应力变形也使面形不能 衍折射光学系统消二缎光谱的研究 援持。1 8 3 9 年，韭余天文学家w _ p a # o 采用刀口检查渡控制反射戮彤戏了抛物 面，制造了优良的宜径0 9 m 、焦距3 0 m 和直径1 8 2 m 、焦距1 6 m ( 1 8 6 1 年) 的反 射镜，并用这种反射镜观察到了螺状星云。 至1 9 繁笼於中蘑期，天文上聪甍星的褒察已经程当充分，开始转舞对隆星的 观察，以清楚了解银河系结构以至f i 可外星云，因为折射式的孔径不能增大，且帽 怼孑l 径太小对天体照桷稷不剥，1 8 8 0 年b r a s h e r 对化学镀锭术作了改进，可以大 大增加反射镜的反射率，l t bf o u c a u l t 首先制作了玻璃蕊镀银的反射天文望远 镜。以后g w r i t e c h e y 淑进了磨制技术和检验方法，对天文望远镜的发展起了很 大鹣程莲 俸耀，越亲越多静大壹袈毽运镜 亟鞠继裁造窭采7 。1 9 4 9 年在p a t o r m a r 天文台建成了直径5 m ，f 3 3 的反射望远镜，制造历时2 0 多年。这个反射式望远 镜厚度达6 0 0 m m ( 蜂窝状，玻璃实厚1 0 0 1 2 5 m m ) ，其易变形的程度如壹径 5 0 0 m m ，蓐泼3 5 r a m 的薄板。露前长焦距光学系统基本上采用的反射，折反光学 系统，但都谴成不同程度的中心遗拦，使得设计m t f 下降，且视场角c | ；i 不大。 对透镜孬茳的色蓑稿题羲磷炎瞧柬已久，掣杰牛顿时代，当聪靛缓多赣式折 射望远镜打算用于某一波长范围时，在性能上都受颜色效应的限制( 由于仞级色 差和高绒色差的影响) 。牛顿就此在1 6 6 8 年发明了第一台反射望远镜，即牛顿望 远镜( n e w t o n i a n t e l e s c o p e ) ，主要避镌沃为没膏爵麓臻嚣个攀透镜的形式校正赣熊 的影响。1 6 7 2 年牛顿做了一台更大的反射望远镜，直径3 7 r a m ，焦距1 6 0 m m ，送 给了英国参家学会，至今还保存在警家学会钧鞠书嬉墨。牛顿认为骶有的透镜豹 色差都与它们的光焦度成f 比，丽盥所有的玻璃具有褶丽的比例常数，因此认为 色像差不可救药。 1 8 壁纪中时，j o n h d o l l o n d , n c h e s t e r m o o r e h a l l 撂t 囊尹牛顿豹镑诶，谴们认 为用两种玻璃是可以消龟差的，1 7 2 1 7 3 3 年他们制造出了现在所称辟勺“消色蕞 双透镜”，鼹世界上第一个消色差物锾，但这季孛麴镜到i 9 擞纪爿得到“泛应用。 当时挺掰片型折辩物镜中折射望远镜物镱称为双分离秘镜( 也许警时没有合 适的胶粘台透镜) ，这是一种常用的消色差望远物镜，由块冕牌玻璃的凸透镜 堙一块火磊玻璃熬蟹透辘搭配组或，薅袭透镜鞠蕊一个不大鞭离f 觚甭到o 1 m m 到物镜口径的几分之) ，广泛地应用在口径较大的折射耀远镜中。幽合理选配 第一章研究现状及背景 露霹嗣时铰莎蒜差、绝差及爱弦麓这姊消最差，只是婕跨静特定波长鲍焦点霪 合。 随着时问的推移，越柬越丈的消色差双片望远镜被制造出来了，直到最有岛 翁直径为1 米静、r k e s 望远镜造出来看，人们彳发现，警韵镜变褥燮丈荠盈设荫 技术更复杂时，消色莲透镜并没有完全消除色差，还存在着一定的高级色差，即 嚣嵇特定波长熬焦点羹台两其他波长的光仍不能和这个焦点完全童会，这就是艨 谓的“_ 二缎光谱”。= 级光谱的繁值取值是这样的：通常目视用的折射望远镜物 镜，设计时是使波长4 8 6 】n m ( f 线) 和6 5 6 3 n m ( c 线) 的焦点重台，这时中问波 长5 4 6 + 0 7 n m ( e 线) 豹焦点黎它翡差麴为矿i 5 0 0 f 1 2 0 0 0 ，这是女敷光学玻璃 的性质决定的，这个像差就称为= 二级光谱，撼中_ 厂是物镜的焦距。 二缴光谱的发瑰导致了许多大孑l 径、长焦距、用子宽谱段的望远镜放弃了撕 射透镜而采用反射物镜，这成为反射式望遘物镜更进步发展的主臻原园。为什 么不采用更为复杂的避镜系统消除二级光谱呢? 其答案是因为二级光谱和单色像 差奉质不麓，增趣元释爱霹会傻二缀龙谱蹬夫，只有奁穗对孔径缓小或兔许擎皂 像差较大的系统中习+ 可以应用，这是因为： 旰射率是随着波长的变化而变化的，由 于这是材料的固有特性，在当时是无法解决的。但这已比牛顿所假设所有玻璃的 菜个懂酃稳等要进步根多了。 小克拉克1 8 9 7 年在美国时凯士天文台建成的口径1 0 2 m 的折射望远镜，至今 爨然是蠼器土最大豹叛耱望运镶。大型据射望远镜有下述弱点：窀要求大块熟透 过率高并且光学均匀性优良的光学玻璃，遂在制造上怒相当困难的；它在紫外和 红外波段的透光量比反射望远镜小，而且存在残余色麓，不适台天体物理工作的 需要：它不麓支最簿像反射望遣镜箨祥好，麓遥这静登透镜毙铡逡同样超对嚣径 的其他黛远镜费用鬻大得多，邀些都限制了它向更大的口径发展。 十九篷纪德髫毒埠学家弼煲( e r n s t a b b e ) 在光学仪嚣制造商卡尔矮思( c a r l z e i s 曲的资助下，研究了显徽镜孔径角对遴镜成像的影响。 也笈现所谓的弼贝或 像原理，现已成为现代变换光学中正在兴起的空问滤波和信息处理的基础。在阿 羹藏豫爨理静基懿主，氇又遥多疆究。发聚虽然囊蠢子毙轴嚣镌嚣元都在意鞫 附近，但必须满足一定的条件才能得到较好的像质，这个条件就鼹阿贝正弦祭 衍折射光华系统消二鲺光谱的研究 孛，即对对共轭点柬澄，蕊共鹱燕鲍_ l _ f 弦之昆必颂在整个 l 径虎援持恒定，只 有满足这个条件爿能保证改光学系统的轴上点没有球差，且垂直于光轴上的小物 体成像时、擞育彗差。以后他又研究了不同波长出现的色澄问题利用当时的冕驶 璃和炙石鞍璃亲璃芭麓，鳘对= 缀竞谖彝惑还无藐鸯力，霹为箕辑瓣率韶琶数率 受到一定的限制，特别是折射率高的玻璃色敞本领也高。阿贝认为，光学材料如 果能实现麓折射率和低色散本领戏低折射率和离色散本镢摆结合，露雁萁与冕牌 玻璃或火石玻璃适当缡台就可以消除二级光谱( 阿贝的结论不定都对。现在已 有很多种这样的玻璃，并非都对消二级光谱有用) 。阿贝也作了很多实验，但因 条件蕊礞，耋鞋瓣实翡结果并不是攫瑾想。1 8 7 9 年，蒋辫玻璃裁逢糍港特 o t t o s c h o t t ) 制造出合锂的光学材料，很得阿贝的赞赏，他们以后合作建立丁一个小实 验室，1 8 8 4 年扩大为玻璃制造厂，研制出不少新型的玻璃，使得复潴色差的设汁 得以实现，并在光学系统上使用馥石晶捧获褥了较完善纳复清色差。 随着时代的推移和科学的进步，各种用于不同目的光学遥感器、显微物镜祷 迅速发曩，这些搜爨辩毙谤成橡蠢了更严搔熬要求。固涉及到竞光谱瘸莲，二缀 光谱又重新提出，对= 级光谱的研究也采用许多方法。在消色差双髓镜的基础 上t 采用三透镜消二绂光谱的研究结果也相继公布于众。1 9 6 0 年的d r e y f u sm g 、t 9 7 8 年k i n g s l a k er 、1 9 8 2 年k h a nm 卜一麓弱t 9 9 1 年的s m i t hwj ，帮是菜溺 将双胶合透镜或三胶台透镜消二缴光谱，效果也很不错。cgw y n n e 在1 9 7 7 年曾 腰互挺分壤浆单缀元产生色差，使整个透镜系统校正二缀光谱，萁袋爱救骧避篷 利用衍生甑差产生二数光谱。所谓衍生色差，就是一个避镜系统，前面透镜有既 差，不同色光在后面遮镜的入射简度也不再棚等了，因而产生的光焦度不相等所 謦柬豹色燕，因衙生谯差磊产生熬二缀惫谌朝擞箭生二缀光谱。c g w y n n e 剥弼 这个概念设计了一种消二级光谱的校正器，取得了较好的效果。1 9 8 1 年史光辉把 这个思想避一步发展，采用本征色差的概念米较正本征= 缓光谱。逶常的色差公 式中，忽略各被长光之间光程差的差潮，馥就是把每一组元对于番波长光的光熊 度都看成是相等的，这种色差和二绂光谱就成为本征色差和本征二级光谱。史光 烽剥蒡】本蕺色差蔽正：二缓光遴时，爰嗣匏方法是将色差鬟教c l 当 睾一个变数，对 第一章研究现状及背莆 不嗣靛疆璃缀台取不闲鹃c ：蜜，可茅霹负，( 、；可臻g = 羔兰、多嚣盥兰墨 v t - - v2v 1 - - y2 及各透镜的光焦度确定，下脚标1 、2 只恐区别不同的透镜，不代表透镜次序。 当两缝不同透镜豹毡莲糖反裁可敬端色羞。雯毙簿试为，只要取多绝对篷大翡玻 璃组成的组元的c 1 为f ，口绝对值小的玻璃组成的组元的c 为负，且c l 值满足一 定关系瓣，则整个袭统就可以校正二缴光落了，这些理论对以后滇= 绂光谱蚋设 计起到了一定的指导作用。1 9 8 5 年t a t i a n b 设计了消二级光谱所使用的玻璃分析 图，他根掘这个图确定了一些用来消色差的玻璃：m a x w e l lj ( 1 9 9 0 ) 、t a d e u s z k f 1 9 9 5 、m a r t h a r 钺1 9 9 6 ) 、c h e n c h ( 1 9 9 7 ，1 9 9 8 ) 、m e r c a d o r t ( t 9 9 8 ) 等， 都是采用薄透镜模型中的双胶台透镜组台，或三透镜，或厚透镜模型消除色靛和 二级光谱。现在尽赣淡二缴光谶的理论祁设诗已经基本完善，但能力仍十分膏 限，它们或是使竞缎结构非常复杂，或是在很小的稿对孔径，或怒很短的焦距， 或较小光谱范围的条件下才能满足使用要求。 一2 棱驻二缀麦诺麴常援方法2 t ”强4 7 。9 虽然早在1 9 世纪从理论上就已经基本嘏决了复消饿差问题，但一百多年来， 实器蠖疆土，二级光谨运题还燕严重影峨攀离质量长焦距、宽光港镜头的设诗效 果，主鼹是出于部分相对色散和阿贝数的比值问题总怒难以解决。到目前为止， 复消色菠的方法主要有： 选磊辐对部分色散辐溺的光学禚鹚缀或双铰舍遴镜复满熬菱 由于双胶台述镜的复消色箍是以校一位置色差为藻础的，所阻先讨论敝胶合 透镜蛉潢色差条体。设主色光矮m 表示，短波焉s 袭示，长波嗣l 表示- 则双胶 合薄透镜消色差条件为 耻堕v + 坠，其中妒2 ( 一mv 。乏i ! v 2 l m - - i f l r“ 公式中c s l 表示双胶合透镜中短波s 和长波l 侧的色差，”为相应的折射 率，世是光焦度，龟、龟、c 3 是双胶合遴镜3 个曲磷的曲率，第3 个曲率可以根 掘前2 个瘟率和猫应韵光煮黢及透镜玻璃的辑射率求出。 经过推导可得对短波s 和中间波长m 光的二级光谱色差( 、m w 由此得到 衍折射光学系统消二级光谱的研究 气。一严c ：( n s - n f 鞣一器巷- 根据消色差公式堕+ 垫一o ，和各透镜佃j 的光焦度分配公式妒= 奶+ 1 0 ! ，令 y lv 2 _ p = 等，户称为部分斗耳对色散。推导得c l s m = - - 等j 筹2 ，要使 ”一”1 y c l s m ：o ，必须满足p l2 p 2 ，即 一塑瞳佥逢缝璺复逍鱼差! 堂塑焦遮匾叠监埴曲部佥担盟鱼筮扫笠! 因为普通玻璃的三卫是一定值，约为1 1 5 0 0 1 2 5 0 0 。得c 。 在 v 2 一v 1 l l 之间，所以采用普通玻璃不能消除二级光谱。选择适当的玻璃组 2 5 0 01 5 0 0 合，只能减小二级光谱色差，得不到完全的复消色差。故用双胶合透镜消二级光 普，必须使用特种玻璃和普通玻璃组合，才能得到复消色差透镜，但能力也有 叭。些晶体是消二级光谱很好材料，如萤石就可用来产牛复消色差的很好材 料，但天然大块萤石很难找到，且材质很脆，价格也很高，只有在小口径、高质 量的昂贵仪器上才使用萤石复消色差，如显微物镜等。 2 二级光谱校正器 英国著名光学设计专家cg w y n n e 研究出了一种二级光谱校正器模型，是采 用两片式透镜，选择合适的玻璃，用胶合或非胶合形式，其设计目的是为了得到 只有色差而没有任何单色像差的校正器，主要用于准直光束。这种二级光谱校正 器的双胶合有两种形式，种是正透镜为高色散，另一种f 透镜为低色散。两种 形式的胶合透镜各组，共同组成这个校f 器。见图1 。i 。 图1 - l 二级光谱校正器 第一章研究现状及背景 臻曼然褥个透镜产生大小提、方向相反静轴岛色羲，缓簿棱形嚣奉赛无 色差n 如要校f 系统其它元件的轴向色差，则将两胶合透镜拉开合适的间隔d ， 分离系统组台的光焦度就可以达到消色差的目的，且它的2 2 缴光谱与普通消色差 遴镜产生的= 缀竞谱聚簿穗反，达戮复溃色差的整懿。 两组胶台透镜组成的 = 二级光谱校正器存在斜光束倍率色差不同的问题，以后 c 。g w y n n e 对这种校正爨又避行了改嚣，采用三个取胶台避镜组或；因为透镜疆 恻的脚隔问题使得结构更加复杂。 3 采用三片式透镜复消色差 螽暴长焦距耪壤的裰对磊径大予l 玛，爱蔷通玻璃设计鬣漕色差透镜藏镄毽 难，一般可以采用一个取一单透镜或单。双透镜组成三片式透镜系统。如果各透 镜涮的光焦度分配台适，玻璃组台恰当，可以完成复消色麓的设计。这些透镜的 孔径高缀球羲羊鞋色球差都比较小，稻对孔径最大可达1 2 隧上。即使如此，这些 透镜都少不了特种玻璃的参与，如t f 类玻璃等，三片式复消色差透镜的设计原 壤 妻第三煮。多个凌片透镜组盛豹整溃色差系绞静穆点是比较复杂，较多兹镜琦 使得系统的纛量大大增加。 4 采用反射式望远物镜避免色熬 用度辩镜作物镜，黧光学性能盼重要特点楚没有色差。在理论上，见埃反射 镜的系统还可以消去其他像差，得剿非常优良的成像质量：然而出于镜面间互楣 遮光或需要攫难鸯鑫工翁璃辘镱，困1 蕊这类系统农矮搏安摊袋制作土受到一定豹鞭 制。实用的反射式物镜为减小像差。视场一般比较小，为扩大视场还常加入像场 校f 透镜组成折反光学系统。对于反射镜的材料只要求它的膨胀系数较小、比 耐度和跑强霞较大，经予落潮。褒京翻造反瓣或鎏远鞫镜鸽方法禳多，始在蠹截 好的反射镜袭面通常镀多层高反射介质膜或混台膜等，它对红外区和紫外区都有 较好豹反射率，适于在较瓷的波段蒗澄研究天体的光谱和光凄。另外，反射式物 镜的镜简一般比较短。礴前天文观测所用的最大折反射望遁镜的口径蹙l3 4 m ， 比它口径更犬的望远镜都是反射望邋镜。 运遥懿土分褥霹盈，消二缓惫诺憨磺究在瑗论上已经攫成熟了。隧筹科学技 术的发展，对二纵光谱的理论研究趟来越深八，为校k y - - - 数光谱的特种玻璃不断 衍折射光学系统消二绒光谱的研究 趣篷。光学设计者蓑瓣决二缓光避麓题想出各挣各样熊办法，但嚣方巍的躁 因，使得很难被广泛健糟。 1 ) 采用反射式光学系统：反射式光学系统不存在色萎，当然也就不会出现二 缀光谱离磁。僵共辅爱麓式光学幕统带来7 中心遮拦，蕊畿赋陌这下降，程场角 也做不大。非共轴非球面三反系统从理论上呵适当缓解共轴所带柬的问题，但它 在抽工、装配、检测等方嚣都毙莛轴系统疆难，要求也嚣鬻熹。 2 ) 采用普通玻璃消二级光谱：这种方法实际是利用现有的光学玻璃材料，用 = 种玻璃结合出一种有利于消二缴光谱的虚拟透镜材料，这类光学材料的p r 值 德离正零线较远，这种骰法霉掌馒光学系统菲常复杂。 3 ) 采用特殊光学玻璃：目前材料科学不断发展，科研人员也不断地研究出偏 麓j 下常p p 馕的、专门用于消二绂光谱的特黥光学材料，如中国牌母豹1 f 系列 及f k 系列的玻璃，蒋篷s c h o 娃厂的k z f s 系列以及f 系列。经过调研p p 稿 线，我们技现某 l a f ( 镧火石) 系列的玻璃也有较好的消二级光谱的能力。但这 些玻璃在冀它方蠹豹豫戆不是覆好，如f k 象秀躲玻璃比较跪，要鼹在靛天蘑境 中又会引出很多问题。采用晶体或特种玻璃材料在航天上常常不允许，采用普通 玻璃复消色差造成结构复杂化，而且通过材料泉消二级光谱其能力媳是有限的。 对实用束随，折射光学系统串，特嗣是在中长焦距光学系统中，每静方寨 为了解决消= 缎光谱问题都要付出极大的代价，因此必颁寻找新的解决办法，以 道应甄空航天静要隶。 二元光学元件作为成像光学元件是近年柬巧出现的个新课题，皓于二元光 学元件特殊豹色散性能，从理论上分析，它可以用在消二数光谱上，并司能其宵 好抟效巢。本文结台蠢客8 6 3 高秘技重大课趱“高分辨戚像光谱仪项嚣，霹二 元光学元件用于光学设汁来消除二级光谱问题进行深入的研究。 到家8 6 3 高分辨成像光谱仪鲍光学系统参数为，= 4 5 0 m m ，f 4 5 ，褪殇角 为30 。t 工作波长范豳4 2 0 0 0 9 0 0 0 0 n m 。可以看出，这个光学系统属中长焦 距光学系统r 工作波段较大，达到了4 8 0 h m ，视场角也较大，所以我们尝试采用 二元光学元律缨成衔，撅混合光学系统寒涟陵= 级光谱。 第一章研究现状覆背景 t - 3 二元巍掌的概念疑研究营景 l 。3 1 二元光学的概念 二元毙学是剩用毙辩衍射建诡设计制作光学元器箨的一门学剩，现在还没有 个准确的定义。一般认为，研究“基于光的衍射理论、利用计算机辅助设计和 超丈趣摸懿成( v l s i ) 魄路制作工艺、在片基上( 或传统的光学零 掌袭嬲刻蚀产 生两个或多个台阶深度的浮雕结构、形成纯掴位、同轴辩现、具有极高衍射效举 的一类衍射光学元件” 5 0 , 5 1 1 的学科称为二元光学，相应的光学元件称为二元光学 元 孛潞i n a r yo p t i c a le l e m e n t ，b o e ) 。 1 - 3 2 二元光学产生的背景 科技懿恢速发震袋鹰联学使嚣愈柬爨露光李足电一体纯糖缝合黪方惫发震，在 此形势下，基于几何光学基本原理的庞大复杂的传统光学元件在很多情况下很继 满足使用疆求因此人们寻求更简单、方便的设计方案实现过去很簸杂的仪器， 并满是一些特殊要求5 2 “。 近代光学中将基于光的衍射原理实现波街变换、成像、分柬合采、模式分析 等功能鲍光学元件穗为衍射光学死件( d o e ) ，如渡带板、光栅、全患元件等，近 年柬迅遗发展的二元光学元件就燕衍射光学韵一个重要分支“。 二元光学元件源于全息光学元件，特别戆计算全息光学元件，悬一种位相型 鹩嚣暂光学元斧，避聪耀麓敲光学霖瑾莰诤、溱霆臻栈摹每攀技术整装要求熬小 型、高效并可以制作成阵列的衔射光学元件，具有重量辍、成本低、并且简化光 学系统缝蜘的优点。 衍射光学元件酌使用可以追溯到1 8 7 t 年，l r a y l e i 曲首先使蠲一种幕涅耳波 带板的元件，以后出现的衍射光栅和菲涅耳透镜也是衍射光学元件。出于这些 丁 辩元 幸弱实际嗣途青隈，所以缀久缛币到耋褥。2 0 世纪4 年伐木英黧秘学家月怒 斯加伯( d e n n i sg a b o r ) 提出全息的概念，由于没有好的相干光源，所以退遐没 有大的发展。2 0 世纪6 0 年代激光的出现，使得全息术重新活跃起来e 1 9 6 6 年， b r b r o w n 等人制俸了计算全惫图，1 9 6 8 年i b 。l e s e mn a z n ( # t n g n ( k i n o f o r m ) 。计算全总元件效率低，且需离轴再现，相息图虽然同轴再现，但其 衍折射光学系统消二级光谱的研究 霓 牛的搬工王艺却长期寒l 辫决，嚣此研究进髅缓攫，实弼受礞。2 0 挺纪s o 土乒代 由于计算机辅助设计、趟大规模集成电路光刻军盱干涉法刻蚀工艺等方蕊工作取得 的进展，为衙射光学的发展提供了技术支撑，也激起了科学家对衍射光学的研究 兴趣。美国繇省瑾工学院，棒鸯实验童v e l d k a m p 藩先挺壅二露光学的概念。二元巍 学的概念一缀提出，就得到了许多发达国家的煎视而迅速发展起柬，包括美国、 英圈、德霉、法国、只本、瑞士及俄罗耘等投入了丈量的资金弼女t 刳光学元件 ( d i f f r a c t i v e o p t i c a l e l e m e n t s ，d o e ) 的设计、制造等进行了研究，取得了一些成 果。在2 0 世纪8 0 年代中期，美国国防远景研究计划局( d a r p a ) 和国家自然利学基 务萎冰s f ) 赣歼簸了繇灞旋“二元竞学诤翘”，薮强麓是： ( 1 ) 在军事传感器系统中节约游动力，降低成本，而旗于电子线路制造技术 柬开发光学技术，在设计和材料中产生新的自出度以及丌发颤的目前技术衣乎不 麓达到的组合光学功髓。 ( 2 ) 促进整个光学计算机辅助设计的开展。 f 3 ) 在美霆工鼗器达捌个具煮广泛基硇熟摇瓣光学接寒。 因为二元光学技术嗣时可以解决衍射元件的效率和加工问题 6 7 - 6 9 1 ，是光学 与微电子学棚互渗透与交叉的前沿学科，实际上二元光学技术也是借助当时圈际 上集成电路制 乍技术的迅速发展蔫澎薤的，并量可以攫容翳地解决一竣透镜尺寸 走而笨重、安装调试困难等问题。如b e l l c o r e 公司已经制戚微透镜阵列，可应用 光学层息怒理、光计冀、激光扫描季丑激竞光采像蟊掺豇；= 中；美国体衔公司磅割 的红外瞄准器中，利用二元光学元件使系统元件数量减少t 4 0 ，并且系统重量 变轻，成像质量提高，还降低了成本；美国的p e r k - e l e r 公司还利用衍射光学元件 截或了蓬密姆基远镜系统翡校聂投；t e l e d y n e b r o w n 工程公司剩鬲二元光学方法 成功设计了离轴红外望远系统。此外还有许多美国公司在利用衍射光学元件设 跨蚤种实用产品，如j p i 。喷气动力实验室、南朗公剜、挂邦公司等，柯迭公，司坯 嗣用适当的楚制手段大批生产二元光学元件。 加拿大j 驯家光学实骏室(