Offner型成像光譜儀分光系統的結構和原理

摘要：應用以像散面為參考波面的平面對稱光學系統波像差理論，分析Offner型成像光譜儀分光系統的像散特性，確定其初始結構。優化設計適用于短波紅外波段（1.0~2.5μm）的此型成像光譜儀分光系統，設計得到的系統具有入射狹縫長（30mm）、相對孔徑大（F/#2.5）、結構緊湊、物像方遠心等優點，其狹縫光譜像的彎曲畸變和色畸變均小于百分之五個像元，成像質量接近衍射極限。

0 引言

Offner型分光系統屬同心光學系統，具有固有像差小、相對孔徑大、譜線彎曲和色畸變小、成像質量高、結構緊湊等優點，適用作高分辨率成像光譜儀的分光系統，并已成功用于土星探測器Cassini、地球觀測衛星EO-1和火星勘測衛星（MRO）等光譜成像遙感器。該系統首先由Thevenon提出，隨后Fisher，Chrisp和Mouroulis等人給出了各種此型分光系統的設計，使其在相關領域得到發展。但對于該類系統的設計多基于光線追跡法和單塊光柵的像差理論，而對于整個系統像差理論研究的報導并不多見。

典型的Offner型成像光譜儀分光系統由兩塊凹面反射鏡和一塊凸面衍射光柵組成，是一種平面對稱系統，很難用軸對稱光學系統的初級像差理論全面地描述和分析其成像特性。Chrisp提出了基于像散參考波面的平面對稱系統波像差理論，可用來分析和研究各種初級像差與結構參數之間的關系，用于平面對稱光學系統的初始結構確定和設計。

下文首先介紹 Offner 型成像光譜儀分光系統的結構和原理; 然后，通過簡要介紹平面對稱系統的波像差理論和分析其像散特性，給出確定初始結構的方法; 最后，根據要求的技術指標，給出設計結果、像質評價和結論。

1 結構與原理

此分光系統源于Offner反射中繼系統，用凸面光柵代替原來的凸面反射鏡，并將反射鏡分成兩塊，如圖1所示，是一種改進型系統。物鏡 L 和分光系統（ 圖中虛線框） 一起構成成像光譜儀，此前置物鏡將目標物成像于分光系統的入射狹縫S上。分光系統主要包含凹面反射鏡M1和M3、凸面衍射光柵G2、孔徑光闌（設在光柵G2上） 、入射狹縫 S 和像平面 F。入射狹縫和光柵柵槽的取向垂直于紙面。

經狹縫進入分光系統的光，入射到凹面反射鏡M1后，反射至凸面光柵 G2，經凸面光柵衍射色散后到反射鏡M3，反射鏡M3將不同波長的狹縫光譜像聚焦在像平面F處。在像面處放置探測器，可接收到狹縫的光譜像，這些光譜像沿光柵的色散方向均勻排列。若讓成像光譜儀沿垂直于狹縫的方向作推掃，則可獲得目標物的兩維空間信息和一維光譜信息。

圖1. Offner 型光譜成像儀結構原理圖

2 波像差理論

衍射光柵的引入致使分光系統不再軸對稱，而是一種平面對稱系統，入射狹縫中心、光柵頂點和反射鏡M1、M3 的頂點位于對稱平面內。根據文獻，通過引入像散參考波面，在近基（ parabase） 范圍內（ 圖 2 中AOB 為光學表面的基線（ base ray） ，位于對稱平面內） ，可將波像差 W 展開表示為

。..。..

5 結 論

以上采用平面對稱系統的波像差理論，給出了 Offner 型成像光譜儀分光系統子午和弧矢離焦像差系數與結構參數的關系式，在此基礎上分析了像散特性，給出對一個波長消像散的條件。利用此消像散條件，給出系統初始結構的確定過程。設計得到了工作于短波紅外的大視場成像光譜儀分光系統，它具有物像方遠心、結構緊湊、譜線彎曲和色畸變小等特點，成像質量接近衍射極限。該系統的三個元件均為球面元件，且口徑不大，加工相對較為容易。其中主鏡 M1 的傾斜和偏心公差對像質影響較大，實際裝調過程中可通過三鏡 M3 的傾斜和偏心來補償，系統的加工、裝調精度要求容易實現。

鑒于篇幅，本文僅為節選［蘇州大學學報（自然科學版）第27卷］

審核編輯 ：李倩