温差条件下组合色散棱镜支撑结构的实验分析

赵 博,颜昌翔,汪逸群,王永猛

(1.中国科学院长春光学精密机械与物理研究所,吉林长春 130033;2.中国科学院研究生院,北京 100039)

1 引 言

超光谱成像仪是一种新型遥感器,它能够在连续光谱段上对同一目标同时成像,直接反映出被观测物体的光谱特征,甚至物体表面的物质成分[1]。在光谱仪中采用棱镜进行分光具有多种优点,如只有单级光谱,不存在叠级问题;经棱镜色散后的光谱是连续性的且透过率极高等[2]。由于不同波长的光在同一介质中具有不同的折射率,在棱镜分光系统中,复色光入射到色散棱镜主截面上,在棱镜内部会被分成各种颜色的光谱。棱镜色散分光具有非线性,光谱成像时会造成像元大小不均,本文选用两种不同玻璃材料的组合棱镜来减轻色散非线性的不利影响。色散元件由一块石英棱镜和一块 F4棱镜组成,石英棱镜的一个面为反射面。

根据瑞利判据,当镜面变形量为λ/8时,人眼即可观察出光学系统像质发生的变化,也就是说只要棱镜表面发生微小的变形即会引起成像质量的变化[3]。光谱仪处于太空环境时,采用温控措施来保证各部件的正常运作,棱镜组件所处的温度环境一般为 (20±5)℃,并且随时会发生变化。由于玻璃的线膨胀系数是金属的 1/10～1/100,这种悬殊的差异,使仪器所用材料收缩量相差很大,尤其是冷却时,金属材料和玻璃材料变形的不一致会使支撑面上产生的应力作用在棱镜成像面上,进而损坏像质。

为解决温度变化对系统成像质量的影响问题,本文在充分考虑棱镜使用环境的基础上,讨论了温度变化时棱镜与支撑结构线膨胀系数不同引起的应力变形,力求整个组合棱镜反射面光程差PV＜λ/6,以保证光学系统的成像质量。……