一種光柵型成像光譜儀光學系統設計

成像光譜儀是20世紀80年代在多光譜遙感成像技術的基礎上發展起來的一種能獲取物體的二維空間信息和一維光譜信息的光學遙感儀器。它廣泛應用在軍事、海洋和地質勘探等領域。成像光譜儀按分光方式的不同可分為光柵色散型、棱鏡色散型、濾光片型、干涉型和計算層析型。其中，光柵色散型成像光譜儀由于原理簡潔、性能穩定、技術發展較早而得到了廣泛的應用。并相對于棱鏡色散型成像光譜儀具有色散均勻、光譜分辨率高、譜線彎曲小、色畸變小等優點，因此受到極大的關注。

光柵型成像光譜儀光學系統是由前置望遠物鏡及光譜成像系統構成。目前前置望遠物鏡結構大部分采用折反射式結構。最常用的結構形式卡塞格林系統的主要優點是：1)口徑可以做到很大；2)不產生色差且工作波段范圍寬；3)光學結構簡單。但是傳統的卡塞格林結構在主次鏡均采用雙曲面時也只能校正兩種像差，如球差和彗差，即校正像差能力有限，從而不能得到滿意的成像質量。針對上述問題，本文提出了一種設計方法可以得到較高像質。

采用傳統的平面或凹面光柵分光的光譜成像系統均受像差校正的限制，數值孔徑小，難以實現高的光譜和空間分辨率。本文采用平面光柵Czerny-Turner結構對光譜成像系統進行優化設計，發現難以滿足儀器光譜分辨率及成像質量的要求。針對上述問題，為了達到儀器設計要求，提出了基于凸面光柵的設計方法。

IsoPlane-320上再次得到展現，它獨特的零像差光學設計讓圖像和光譜的分辨率大幅度提高，同時還擁有更強的光通量。其分辨率可以媲美1/2米焦長的光譜儀，卻是其光通量的兩倍，使得IsoPlane成為高要求低光實驗中理想的選擇。

IsoPlane-160用非常小巧的設計達到了1/3米焦長光譜儀才能達到的分辨率。它 f/3.88的光學設計提高了分辨率，不僅是光譜應用，也是顯微光譜儀的理想選擇。

光學設計將象差降低到零，與普通光譜儀相比，大幅度的提高了空間分辨和光譜分辨率。大口徑的光學設計以及可以更換的三光柵塔輪，滿足了客戶從紫外到近紅外的或高或低分辨率的光譜探測需求。

1 光柵型成像光譜儀成像原理

光柵型成像光譜儀成像原理如圖1所示。目標物的反射光通過前置望遠物鏡成像在狹縫平面上，狹縫作為視場光欄使物體的條帶像通過，擋掉其他部分的光。目標物的條帶像經準直物鏡照射到色散元件上，然后經色散元件在垂直狹縫方向將其作為波長色散，最后由成像物鏡會聚成像在成像光譜儀像平面上的二維CCD探測器上。這樣，面陣探測器得到的每幀圖像是與狹縫對應的目標條帶區域的光譜圖像數據。若讓成像光譜儀相對目標運動，讓前置物鏡形成的目標像依次通過狹縫，同時記錄狹縫的光譜圖像，即得到目標的光譜圖像三維數據。運用軟件進行圖像處理，可得到目標各個波段的二維圖像，空間每一點的光譜分布，或多個波長合成的彩色圖像，因此成像光譜儀可以更有效地發現、識別目標，可研究物質的空間分布。

圖1.成像光譜儀成像原理圖

2 系統光學參數的確定

成像光譜儀光學系統參數包括望遠物鏡的光學參數和光譜成像系統的光學參數。光譜成像系統是成像光譜儀光學系統的核心部分。因此，根據該系統的使用要求，首先根據相關理論確定光譜成像系統的光學參數，然后通過前置望遠系統與光譜成像系統遠心匹配原則確定的前置望遠物鏡的光學參數。最終確定的光學參數如表1所示。

3 成像光譜儀光學系統設計

光柵型成像光譜儀光學系統由前置望遠物鏡與光柵光譜成像系統構成。前置望遠物鏡是整個成像光譜儀光線的公共入口， 能夠將遠處目標的像成在狹縫處以實現推掃成像的目的。光柵型光譜成像系統由準直物鏡、 光柵和成像物鏡３ 部分組成。準直物鏡使入射光柵的光束為平行光束， 此平行光束經過光柵色散后由成像物鏡匯聚到像平面。因此， 光柵型成像光譜儀的設計由前置望遠物鏡設計和光譜成像系統設計兩部分組成。

3.1前置望遠物鏡的設計

從系統的光學參數可以看出，該系統視場角較小，所以軸外像差對整個像質的影響不大。因此首先考慮用卡塞格林結構為初始結構進行設計。根據卡塞格林像差與遮攔比和放大率的關系，以及要滿足主次鏡曲率和主次鏡間距均小于零的約束條件。經過反復幾次計算，最終得到的初始結構參數見表2所示

由于該系統視場角和相對孔徑不大，所以主要考慮的是球差及彗差的校正，因此將主次鏡半徑、間距以及主次鏡的二次曲面系數c1c2設為變量優化，優化完成后2個反射面均為雙曲面，主次鏡二次曲面系數最終分別為-1.106935和-1.708386。最終優化的結果如圖2和圖3所示。

圖2.傳統卡塞格林望遠物鏡光學系統圖

圖3.傳統卡塞格林望遠物鏡像差曲線圖

審核編輯黃宇