[发明专利]一种光栅光谱仪光学系统焦距和狭缝尺寸计算方法

说明书

本发明公开了一种光栅光谱仪光学系统焦距和狭缝尺寸计算方法，所述方法包括如下步骤：建立空间天文点源探测光栅光谱仪的光学系统，使光学系统像质达到衍射限；根据探测光谱的波长最大值λ_max和光学系统入瞳直径D得到狭缝处星点像PSF的半高全宽FWHM；根据狭缝处星点像PSF的半高全宽FWHM、光谱采样率n和探测器的光谱方向像元间距p得到光学系统的焦距f′；根据探测光谱的波长最大值λ_max和光学系统入瞳直径D得到艾利斑第一暗环尺寸；根据光学系统的焦距f′、光学系统的放大率δ和艾利斑第一暗环尺寸得到狭缝的宽度Ws。本发明确定了空间天文探测的光栅光谱仪的光学系统的焦距和尺寸，能够进行空间天文探测的光栅光谱仪的光学系统的详细设计。

技术领域

本发明属于航天光学遥感领域空间天文探测技术领域，尤其涉及一种光栅光谱仪光学系统焦距和狭缝尺寸计算方法。

背景技术

光谱仪是一种探测目标光谱特性，分析目标化学组成及含量的重要分析仪器。光栅光谱仪是色散型分光光谱仪，其相对于棱镜色散光谱仪具有较高的光谱分辨率和信噪比，是航天光学遥感领域应用最多的一类光谱仪器，目前已经在大气探测、温室气体监测、海洋气象、环境减灾、国土资源等空间对地观测领域得到了广泛的应用，光栅光谱仪也是空间天文探测中应用较广泛的科学仪器。在空间天文探测中，对遥远的星系、恒星、系外行星等一类远距离目标的探测，属于对理想点源目标的探测，而在对地观测中，对地面目标的探测属于对扩展源目标的探测。在利用光栅光谱仪进行对地探测时，目标始终充满光谱仪狭缝，光谱仪狭缝的宽度可以直接由光谱采样率，探测器像元尺寸和光谱仪放大率确定，光学系统焦距也可以直接由地面像元分辨率和狭缝尺寸，观测距离之间的关系确定；而在利用光栅光谱仪对空间天文点源天体进行探测时，目标在光谱仪狭缝处成一星点像，背景为冷黑的深空，这种情况下光谱仪无需狭缝即可实现目标光谱探测，而增加狭缝的目的仅用于减小杂散背景辐射，提高探测信噪比。这种情况下，光栅光谱仪光学系统焦距也与光谱仪的狭缝尺寸无关。现有技术中无法确定空间天文探测的光栅光谱仪的光学系统的焦距和尺寸，从而无法进行空间天文探测的光栅光谱仪的光学系统的详细设计。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种光栅光谱仪光学系统焦距和狭缝尺寸计算方法，确定了空间天文探测的光栅光谱仪的光学系统的焦距和尺寸，能够进行空间天文探测的光栅光谱仪的光学系统的详细设计。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：一种光栅光谱仪光学系统焦距和狭缝尺寸计算方法，所述方法包括如下步骤：步骤(1)：建立空间天文点源探测光栅光谱仪的光学系统，使光学系统像质达到衍射限；步骤(2)：根据探测光谱的波长最大值λ_max和光学系统入瞳直径D得到狭缝处星点像PSF的半高全宽FWHM；根据狭缝处星点像PSF的半高全宽FWHM、光谱采样率n和探测器的光谱方向像元间距p得到光学系统的焦距f′；步骤(3)：根据探测光谱的波长最大值λ_max和光学系统入瞳直径D得到艾利斑第一暗环尺寸；根据光学系统的焦距f′、光学系统的放大率δ和艾利斑第一暗环尺寸得到狭缝的宽度Ws。

上述光栅光谱仪光学系统焦距和狭缝尺寸计算方法中，在步骤(1)中，空间天文点源探测光栅光谱仪的光学系统包括前置系统、狭缝、准直镜、光栅、成像镜和探测器；其中，前置系统接收具有入瞳直径D的前端望远镜出射的平行光，将平行光聚焦到具有一定宽度的狭缝处，光线通过狭缝后，由准直镜再将光线准直成平行光，入射到光栅上；光栅将入射光进行色散，形成光谱；成像镜再将光谱成像到探测器上。

上述光栅光谱仪光学系统焦距和狭缝尺寸计算方法中，在步骤(2)中，狭缝处星点像PSF的半高全宽FWHM为：

其中，λ_max为探测光谱的波长最大值，D为光学系统入瞳直径。

上述光栅光谱仪光学系统焦距和狭缝尺寸计算方法中，在步骤(2)中，光学系统的焦距f′由以下公式得到：