一种用于大气探测的紫外成像仪光学系统设计.pdf

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1、第３４卷，第３期光谱学与光谱分析Vol畅３４，No畅３，pp８４３‐８４６２０１４年３月SpectroscopyandSpectralAnalysisMarch，２０１４一种用于大气探测的紫外成像仪光学系统设计１，２１倡１１１张晶，王淑荣，李博，薛庆生，黄煜１．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所，吉林长春　１３００３３２．中国科学院大学，北京　１０００４９摘要提出了一种将全景成像系统应用到大气临边探测的光学系统设计方案。首先考虑到特殊的工作波段以及创新性应用，根据应用技术指标，在传统全景环形透镜的基础上，结合探测器尺寸限制，精细调整四个球面的曲

2、率半径，以便得到最佳光学传递函数。然后基于像差理论设计中继镜组系统，补偿全景环形透镜产生的像差，采用折射率n以及阿贝常数ν不同的双分离的正负透镜组合，负透镜采用熔石英，正透镜采用氟化钙，从而使色差最小。最后运用CODE‐V光学设计软件对系统进行优化，列出重要的公差参数，为后续加工装调提出要求。优化结果表明，光学系统在各个视场的光学传递函数均达到了０畅７以上，各视场能量集中度为８０％的弥散圆直径均小于１１μm，完全满足设计指标要求，也证明了将全景环形成像系统应用到紫外波段大气临边探测的方案是可行的。关键词临边探测；全景环形透镜；中继镜系统中图分类号：

3、TP７４４　　文献标识码：ADOI：１０畅３９６４／j畅issn畅１０００‐０５９３（２０１４）０３‐０８４３‐０４临边成像探测。系统所采用透镜全部是球面镜，有效地降低引言了制造成本，减小了光学镜片的加工、检测和装调难度。成像质量接近衍射极限，满足空间紫外光学仪器的使用要求。近年来，伴随光学、计算机、探测器、卫星等技术的快速发展，空间大气遥感得到了广泛的应用。临边观测模式作１　应用要求及主要技术指标为一种新兴的空间探测模式，具有空间、时间覆盖率大，垂直分辨率高等优点。临边观测的遥感仪器可以探测大气散射图１为各种大气痕量气体对应的探测波段。紫外波段光

4、谱辐射，通过分析光谱特性，反演得出大气成分（痕量气中，对于O３，H２CO，SO２，NO等气体成分有较明显的探测［３］体和气溶胶等）垂直信息，因此成为国内外相关领域研究者优势。紫外全景临边成像仪设计运行在４００km的轨道高［１，２］的研究热点。目前文献中有关临边成像光谱仪的报道其光学系统部分大多采用前置光学系统，包括反射式非球面刻划光栅、离轴抛物面反射镜，或通过方位扫描镜与高度扫描镜的配合实现较大视场的临边探测。这在一定程度上增加了加工成本，给加工和装配带来了很多不便。目前国内外有关全景成像技术包括鱼眼镜头，折反式全景成像技术和环带式全景成像技术，浙

5、江大学光学国家重点实验室对于以上全景成像技术进行了一系列的研究。但国内外尚未有将全景成像技术应用到大气紫外临边探测的仪器研究进展。本工作结合重点专项项目的光学设计技术指标，提出了一种无须转动光学系统（或扫描部件）即可在３６０°内一次凝视Fig畅1soundingwavelengthbandforatmospherictracegas成像的紫外全景光学成像系统，能够实现紫外波段实时全景收稿日期：２０１３‐０４‐２３，修订日期：２０１３‐０６‐２０基金项目：国家自然科学基金项目（４１１０５０１４）和吉林省青年科研基金项目（２００９０１１８）资助作者简介

6、：张晶，１９８７年生，中国科学院长春光学精密机械与物理研究所博士研究生e‐mail：qingjing５００＠sina畅com倡通讯联系人e‐mail：wsrong＠ciomp畅ac畅cn４４８光谱学与光谱分析第３４卷度上，临边探测高度为０～８８km，仪器工作波段２５０～３８０tanθ－θD′T＝×１００％（２）tanθnm，分为３个中心波长２６５，２９５和３６０nm，带宽分别优于式（１）和式（２）所要求的光学特性，根据初级像差理论，２０，１０和６nm，空间分辨率３km。CCD探测器采用英国e２v可写成背照式帧转移面阵CCD，像元数１０２４×１０２４

7、，单个探测器像元尺寸为１３μm×１３μm。水平视场３６０°，垂直视场１４０畅４°SV＝２n′ku′k（f′tanθ－f′θ）（３）２２～１４４畅８°。SV＝SⅡP－J（u′PK－uP１）（４）全景环形临边成像仪的观测原理及像面成像放大图如图式中n为材料折射率；u为光线角；J为拉氏不变量；k及p２所示。＝１，２，３，⋯。由上式可知，PAL为具有一定光阑慧差的透镜，因此必须正确控制两个反射面的曲率半径r２和r３的值，且满足与两个折射面１和４曲率半径的完美结合。加工后分别对两个折射面和两个反射面镀紫外增透膜和紫外反射膜。３　中继镜组的设计透射式中继镜的作

8、用是将PAL的虚像转为实像并以适当的倍率成像到探测器像面上。除此之外，中继镜组还要对［７，８］PAL的球差、倍率色差等垂轴