專利名稱：大口徑光子篩空間望遠(yuǎn)鏡的寬光譜光學(xué)成像系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明與空間望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)成像系統(tǒng)有關(guān)，特別是一種大口徑光子篩空間望遠(yuǎn)鏡
的寬光譜光學(xué)成像系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
目前國內(nèi)外空間望遠(yuǎn)鏡，考慮到像差平衡，系統(tǒng)多采用非球面折反式結(jié)構(gòu)。此類系 統(tǒng)重量過大，發(fā)射費用特別高，口徑最大競達(dá)到數(shù)米，口徑受限使得分辨率受限。以1990年 發(fā)射的哈勃空間望遠(yuǎn)鏡為例，采用卡塞格林光學(xué)結(jié)構(gòu)，主鏡直徑2. 4米，重817. 2千克，分辨 率為1弧秒。隨著微加工精度的提高，衍射元件在光學(xué)系統(tǒng)中有了大量的應(yīng)用，特別是光子 篩的出現(xiàn)，使得超大口徑空間望遠(yuǎn)鏡成為可能。圖l是文獻(xiàn)[App. Opt. 2007,46(18) :3706 3708]提出的光子篩空間望遠(yuǎn)鏡結(jié)構(gòu)，其基本構(gòu)成是光子篩1-1對無限遠(yuǎn)物體聚焦成像， 中心波長所對應(yīng)的像平面位于正透鏡1-2的前焦平面上，經(jīng)過正透鏡l-2準(zhǔn)直成平行光，然 后經(jīng)過衍射元件1-3作用到反射鏡1-4上，經(jīng)反射到非球面鏡1-5上，最后聚焦于光電器件 1-6上。該裝置可以實現(xiàn)超大口徑，但實現(xiàn)消色差的光譜寬度只有40納米，說明光譜帶寬沒 有得到很好的解決，另外系統(tǒng)的球差、色差也有待于進(jìn)一步減小。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是要解決上述現(xiàn)有技術(shù)的問題，提出一種大口徑光子篩空間望遠(yuǎn) 鏡的寬光譜光學(xué)成像系統(tǒng)，從而達(dá)到既具有大口徑、設(shè)備輕便，又具有寬光譜、高分辨率的 特性。 本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下 —種空間望遠(yuǎn)鏡的大口徑寬光譜光學(xué)成像系統(tǒng)，構(gòu)成包括大口徑的光子篩，其特 點在于，沿光束入射方向在所述的光子篩之后依次是負(fù)衍射透鏡、正透鏡、無光焦度的第一 諧衍射透鏡、第二諧衍射透鏡和光電探測器件，所述的光子篩用于對無限遠(yuǎn)物體聚焦成像； 所述的負(fù)衍射透鏡用于補償所述的光子篩的色散；所述的正透鏡、無光焦度的第一諧衍射 透鏡和第二諧衍射透鏡構(gòu)成多色光消球差系統(tǒng)；所述的光電探測器件用于記錄成像；上述 部件的位置關(guān)系如下所述的光子篩和負(fù)衍射透鏡之間的距離為L = fjA。)-[-fJ入。) 4(入。)]1/2，式中，^(入。)為光子篩)對應(yīng)中心波長的主焦距，&(入。)為負(fù)衍射透鏡的主焦 距；所述的負(fù)衍射透鏡位于所述的正透鏡的前焦平面處；所述的正透鏡與無光焦度的第一 諧衍射透鏡緊貼；所述的無光焦度的第一諧衍射透鏡位于第二諧衍射透鏡的前焦平面處 所述的光電探測器件位于所述的第二諧衍射透鏡的后焦平面處。
本發(fā)明的技術(shù)效果如下 1、本發(fā)明的核心是采用諧衍射透鏡增加光譜寬度，做到多色光準(zhǔn)確聚焦于所述的 光電探測器件上。 2、本發(fā)明的另一個核心是采用無光焦度的諧衍射透鏡消球差。
因此，本發(fā)明系統(tǒng)具有大口徑、設(shè)備輕便、寬光譜和高分辨率的特性。
圖1是現(xiàn)有的光子篩空間望遠(yuǎn)鏡的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖 圖2是本發(fā)明大口徑光子篩空間望遠(yuǎn)鏡的寬光譜光學(xué)成像系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)示意 圖 圖3是光子篩的橫截面圖 圖4是負(fù)衍射透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖 圖5是第一無光焦度的諧衍射透鏡或第二諧衍射透鏡的結(jié)構(gòu)示意圖
具體實施例方式
下面結(jié)合實施例和附圖對本發(fā)明作進(jìn)一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范 圍。 先請參閱圖2，圖2是本發(fā)明大口徑光子篩空間望遠(yuǎn)鏡的寬光譜光學(xué)成像系統(tǒng)的 光學(xué)結(jié)構(gòu)示意圖，由圖可見，本發(fā)明大口徑光子篩空間望遠(yuǎn)鏡的寬光譜光學(xué)成像系統(tǒng)，包 括一個超大口徑的光子篩2-1用于對無限遠(yuǎn)物體聚焦成像；一個負(fù)衍射透鏡2-2用于補 償光子篩的色散；一個正透鏡2-3與無光焦度的第一諧衍射透鏡2-4和第二諧衍射透鏡 2-5構(gòu)成多色光消球差系統(tǒng)；一個光電探測器件2-6用于記錄成像，上述部件的位置關(guān)系如 下沿光束入射方向依次是所述的光子篩2-l、負(fù)衍射透鏡2-2、正透鏡2-3、無光焦度的第 一諧衍射透鏡2-4、第二諧衍射透鏡2-5和光電探測器件2-6，所述的光子篩2-1和負(fù)衍射 透鏡2-2之間的距離為L = f丄(A o) -[_f2 (入。)f: ( A 。) ] 1/2，式中，f:(入。)為光子篩2-1對應(yīng) 中心波長的主焦距，f2(A。)為負(fù)衍射透鏡2-2的主焦距；所述的負(fù)衍射透鏡2-2放置在所 述的正透鏡2-3的前焦平面處；所述的正透鏡2-3與第一諧衍射透鏡2-4緊貼；所述的第一 諧衍射透鏡2-4位于第二諧衍射透鏡2-5的前焦平面處；所述的光電探測器件2-6位于所 述的第二諧衍射透鏡2-5的后焦平面處。
本發(fā)明技術(shù)解決方案的基本原理
( — )、光子篩2-1上每個圓孔的衍射場分布為
丌) (1)
,2 w」 式中d為衍射圓孔的直徑，W為衍射圓孔潛在的菲涅耳環(huán)帶的寬度，JJ )為第 一類一階貝塞爾函數(shù)，請參閱圖3。
( 二 )、負(fù)衍射透鏡對于光子篩具有色散補償作用 圖4是所述的負(fù)衍射透鏡2-2的結(jié)構(gòu)示意圖。因為負(fù)衍射透鏡的結(jié)構(gòu)基于菲涅耳 波帶板的思想實現(xiàn)，所以對任意波長，其主焦距為 /2(義)=
丄 2/1
義,
'o —
2義。義
義 工作在-1階的負(fù)衍射透鏡2-2的透過率函數(shù)為
= exp
汰
2訓(xùn)， 工作在+1階的光子篩2-1的透過率函數(shù)為
(3)
4<formula>formula see original document page 5</formula>
由式(3)與(4)可以看出，負(fù)衍射透鏡對于光子篩具有色散補償作用。 (三)、對于負(fù)衍射透鏡2-2，在任意波長處應(yīng)用高斯成像公式 1 1 1
-丄 一
依據(jù)色差補償條件，要求
d義
1
i/，
0
(5)
(6)
經(jīng)過計算可以得出
驗E^
式(7)存在一個特例，即當(dāng)L二O時，&(入0) = fj入。)，此時光子篩2-l和負(fù)衍 射透鏡2-2構(gòu)成一個無焦光學(xué)單元，等效于一個平行平板。對于無窮遠(yuǎn)物體成像，不管光闌 在何處，平行平板不產(chǎn)生任何像差。(四)、諧衍射透鏡的使用相當(dāng)于對系統(tǒng)的波段寬度增加一系列的諧波帶寬
圖5是所述的無光焦度的第一諧衍射透鏡或第二諧衍射透鏡結(jié)構(gòu)示意圖，諧衍 射透鏡又稱多極衍射透鏡，其特點是相鄰環(huán)帶間的光程差是設(shè)計波長A。的p整數(shù)倍，且 P > 2。在衍射透鏡焦平面上的能量分布可看作光線通過各閃耀環(huán)帶后在焦平面上干涉的 結(jié)果。諧衍射透鏡的環(huán)帶間的光程差為pA。，則環(huán)帶寬度d二pA。/(n-l)，式中，n為諧衍 射透鏡材料折射率。假若對波長為A的第m衍射級次成像，該級次成像的焦距為 / ,義=4/。(義。) (8) m義 若要求fm, A與設(shè)計焦距f。 ( A 。)重合，則應(yīng)滿足A = p A 。/m。顯然，諧衍射透鏡 的使用相當(dāng)于對系統(tǒng)的波段寬度增加一系列的諧波帶寬。(五)、所述的正透鏡2-3與無光焦度的第一諧衍射透鏡2-4和第二諧衍射透鏡 2-5構(gòu)成多色光消球差系統(tǒng) 當(dāng)正透鏡2-3位于第二諧衍射透鏡2-5的前焦平面時，第二諧衍射透鏡2-5產(chǎn)生 的單色像差只包括正球差，其球差系數(shù)為 S1F = h4/f o3 ( A o) (9)
式中，h為邊緣光線與第二諧衍射透鏡2-5的交點到光軸的距離。
正透鏡2-3形成負(fù)球差，其球差系數(shù)為<formula>formula see original document page 5</formula> 式中hs為邊緣光線與正透鏡2-3的交點到光軸的距離，n'為正透鏡2_3的透鏡 材料折射率，n為物空間的介質(zhì)折射率，u'為像方孔徑角，u為物方孔徑角。
由上面兩式可以知道，第二諧衍射透鏡2-5產(chǎn)生的球差正比于入射的邊緣光線高 度的四次方，而正透鏡2-3產(chǎn)生的球差正比于入射的邊緣光線高度。在光學(xué)口徑一定的情況下，顯然第二諧衍射透鏡2-5產(chǎn)生的正球差遠(yuǎn)大于正透鏡2-3產(chǎn)生的負(fù)球差，由無光焦度 的第一諧衍射透鏡2-4補償兩者的剩余球差S1F+Sls。據(jù)此，利用現(xiàn)有技術(shù)可以解出無光焦 度的第一諧衍射透鏡2-4的結(jié)構(gòu)參數(shù)。
權(quán)利要求
一種大口徑光子篩空間望遠(yuǎn)鏡的寬光譜光學(xué)成像系統(tǒng)，構(gòu)成包括大口徑的光子篩(2-1)，其特征在于，沿光束入射方向在所述的光子篩(2-1)之后依次是負(fù)衍射透鏡(2-2)、正透鏡(2-3)、無光焦度的第一諧衍射透鏡(2-4)、第二諧衍射透鏡(2-5)和光電探測器件(2-6)，上述部件的位置關(guān)系如下所述的光子篩(2-1)和所述的負(fù)衍射透鏡(2-2)之間的距離為L＝f1(λ0)-[-f2(λ0)f1(λ0)]1/2，式中f1(λ0)為光子篩(2-1)對應(yīng)中心波長的主焦距，f2(λ0)為負(fù)衍射透鏡(2-2)的主焦距；所述的負(fù)衍射透鏡(2-2)位于所述的正透鏡(2-3)的前焦平面處；所述的正透鏡(2-3)與無光焦度的第一諧衍射透鏡(2-4)緊貼；所述的無光焦度的第一諧衍射透鏡(2-4)位于第二諧衍射透鏡(2-5)的前焦平面處；所述的光電探測器件(2-6)位于所述的第二諧衍射透鏡(2-5)的后焦平面處。
全文摘要
一種大口徑光子篩空間望遠(yuǎn)鏡的寬光譜光學(xué)成像系統(tǒng)，其構(gòu)成包括大口徑的光子篩，沿光束入射方向在所述的光子篩之后依次是負(fù)衍射透鏡、正透鏡、無光焦度的第一諧衍射透鏡、第二諧衍射透鏡和光電探測器件，本發(fā)明系統(tǒng)具有大口徑、設(shè)備輕便、寬光譜和高分辨率的特點。
文檔編號G02B23/00GK101726838SQ20091019980
公開日2010年6月9日 申請日期2009年12月2日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月2日
發(fā)明者張軍勇, 曹華保, 曹婧, 曾夏輝, 楊朋千, 林尊琪 申請人:中國科學(xué)院上海光學(xué)精密機械研究所