一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

成像光谱仪是20世纪80年代在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的一种能获取物体的二维空间信息和一维光谱信息的光学遥感仪器。它广泛应用在军事、海洋和地质勘探等领域。成像光谱仪按分光方式的不同可分为光栅色散型、棱镜色散型、滤光片型、干涉型和计算层析型。其中，光栅色散型成像光谱仪由于原理简洁、性能稳定、技术发展较早而得到了广泛的应用。并相对于棱镜色散型成像光谱仪具有色散均匀、光谱分辨率高、谱线弯曲小、色畸变小等优点，因此受到极大的关注。

光栅型成像光谱仪光学系统是由前置望远物镜及光谱成像系统构成。目前前置望远物镜结构大部分采用折反射式结构。最常用的结构形式卡塞格林系统的主要优点是：1)口径可以做到很大；2)不产生色差且工作波段范围宽；3)光学结构简单。但是传统的卡塞格林结构在主次镜均采用双曲面时也只能校正两种像差，如球差和彗差，即校正像差能力有限，从而不能得到满意的成像质量。针对上述问题，本文提出了一种设计方法可以得到较高像质。

采用传统的平面或凹面光栅分光的光谱成像系统均受像差校正的限制，数值孔径小，难以实现高的光谱和空间分辨率。本文采用平面光栅Czerny-Turner结构对光谱成像系统进行优化设计，发现难以满足仪器光谱分辨率及成像质量的要求。针对上述问题，为了达到仪器设计要求，提出了基于凸面光栅的设计方法。

IsoPlane-320上再次得到展现，它独特的零像差光学设计让图像和光谱的分辨率大幅度提高，同时还拥有更强的光通量。其分辨率可以媲美1/2米焦长的光谱仪，却是其光通量的两倍，使得IsoPlane成为高要求低光实验中理想的选择。

IsoPlane-160用非常小巧的设计达到了1/3米焦长光谱仪才能达到的分辨率。它 f/3.88的光学设计提高了分辨率，不仅是光谱应用，也是显微光谱仪的理想选择。

光学设计将象差降低到零，与普通光谱仪相比，大幅度的提高了空间分辨和光谱分辨率。大口径的光学设计以及可以更换的三光栅塔轮，满足了客户从紫外到近红外的或高或低分辨率的光谱探测需求。

1 光栅型成像光谱仪成像原理

光栅型成像光谱仪成像原理如图1所示。目标物的反射光通过前置望远物镜成像在狭缝平面上，狭缝作为视场光栏使物体的条带像通过，挡掉其他部分的光。目标物的条带像经准直物镜照射到色散元件上，然后经色散元件在垂直狭缝方向将其作为波长色散，最后由成像物镜会聚成像在成像光谱仪像平面上的二维CCD探测器上。这样，面阵探测器得到的每帧图像是与狭缝对应的目标条带区域的光谱图像数据。若让成像光谱仪相对目标运动，让前置物镜形成的目标像依次通过狭缝，同时记录狭缝的光谱图像，即得到目标的光谱图像三维数据。运用软件进行图像处理，可得到目标各个波段的二维图像，空间每一点的光谱分布，或多个波长合成的彩色图像，因此成像光谱仪可以更有效地发现、识别目标，可研究物质的空间分布。

图1.成像光谱仪成像原理图

2 系统光学参数的确定

成像光谱仪光学系统参数包括望远物镜的光学参数和光谱成像系统的光学参数。光谱成像系统是成像光谱仪光学系统的核心部分。因此，根据该系统的使用要求，首先根据相关理论确定光谱成像系统的光学参数，然后通过前置望远系统与光谱成像系统远心匹配原则确定的前置望远物镜的光学参数。最终确定的光学参数如表1所示。

3 成像光谱仪光学系统设计

光栅型成像光谱仪光学系统由前置望远物镜与光栅光谱成像系统构成。前置望远物镜是整个成像光谱仪光线的公共入口， 能够将远处目标的像成在狭缝处以实现推扫成像的目的。光栅型光谱成像系统由准直物镜、 光栅和成像物镜３ 部分组成。准直物镜使入射光栅的光束为平行光束， 此平行光束经过光栅色散后由成像物镜汇聚到像平面。因此， 光栅型成像光谱仪的设计由前置望远物镜设计和光谱成像系统设计两部分组成。

3.1前置望远物镜的设计

从系统的光学参数可以看出，该系统视场角较小，所以轴外像差对整个像质的影响不大。因此首先考虑用卡塞格林结构为初始结构进行设计。根据卡塞格林像差与遮拦比和放大率的关系，以及要满足主次镜曲率和主次镜间距均小于零的约束条件。经过反复几次计算，最终得到的初始结构参数见表2所示

由于该系统视场角和相对孔径不大，所以主要考虑的是球差及彗差的校正，因此将主次镜半径、间距以及主次镜的二次曲面系数c1c2设为变量优化，优化完成后2个反射面均为双曲面，主次镜二次曲面系数最终分别为-1.106935和-1.708386。最终优化的结果如图2和图3所示。

图2.传统卡塞格林望远物镜光学系统图

图3.传统卡塞格林望远物镜像差曲线图

审核编辑 黄宇