摘要：成像光譜儀是一種“圖譜合一”的光學(xué)遙感儀器。從光柵型成像光譜儀的使用要求出發(fā)，利用ZEMAX軟件設(shè)計了一種光柵型成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)。其中，前置望遠物鏡采用反射式結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)的卡塞格林結(jié)構(gòu)在主次鏡均采用非球面時校正像差的能力依然有限，設(shè)計時采用改進后的卡塞格林結(jié)構(gòu)對像差進行校正，最終設(shè)計的望遠鏡頭傳函在50lp/mm處達到0.5，場曲控制在0.078以內(nèi)，且不存在畸變。針對光譜成像系統(tǒng)通常采用的基于平面光柵的Czerny-Turner結(jié)構(gòu)由于像差校正能力有限、成像質(zhì)量較差不能滿足儀器的使用要求。采用基于凸面光柵的光譜成像系統(tǒng)，該系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、可實現(xiàn)寬波段內(nèi)像差的同時校正。最終設(shè)計的光譜成像系統(tǒng)光譜分辨率＜5nm，MTF在50lp/mm時升至0.75。將前置望遠物鏡與光譜成像系統(tǒng)根據(jù)匹配原則進行組合優(yōu)化后光柵型成像光譜儀系統(tǒng)點列圖RMS半徑隨波長的變化均小于0.2，波長的80%的能量集中在φ6μm范圍內(nèi)，波長各視場在特征頻率50lp/mm處的光學(xué)傳遞函數(shù)均大于0.5。整個光學(xué)系統(tǒng)具有結(jié)構(gòu)簡單、像差校正能力強、結(jié)構(gòu)尺寸較小的優(yōu)點。

關(guān)鍵詞：光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計；光柵型成像光譜儀；卡塞格林前置望遠物鏡；凸面光柵光譜成像

引言

成像光譜儀是20世紀(jì)80年代在多光譜遙感成像技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)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(xué)遙感儀器。它廣泛應(yīng)用在軍事、海洋和地質(zhì)勘探等領(lǐng)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(wěn)定、技術(shù)發(fā)展較早而得到了廣泛的應(yīng)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(yōu)點，因此受到極大的關(guān)注。

光柵型成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)是由前置望遠物鏡及光譜成像系統(tǒng)構(gòu)成。目前前置望遠物鏡結(jié)構(gòu)大部分采用折反射式結(jié)構(gòu)。最常用的結(jié)構(gòu)形式卡塞格林系統(tǒng)的主要優(yōu)點是：1)口徑可以做到很大；2)不產(chǎn)生色差且工作波段范圍寬；3)光學(xué)結(jié)構(gòu)簡單。但是傳統(tǒng)的卡塞格林結(jié)構(gòu)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(zhì)量。針對上述問題，本文提出了一種設(shè)計方法可以得到較高像質(zhì)。

采用傳統(tǒng)的平面或凹面光柵分光的光譜成像系統(tǒng)均受像差校正的限制，數(shù)值孔徑小，難以實現(xiàn)高的光譜和空間分辨率。本文采用平面光柵Czerny-Turner結(jié)構(gòu)對光譜成像系統(tǒng)進行優(yōu)化設(shè)計，發(fā)現(xiàn)難以滿足儀器光譜分辨率及成像質(zhì)量的要求。針對上述問題，為了達到儀器設(shè)計要求，提出了基于凸面光柵的設(shè)計方法。

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(biāo)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(biāo)物的條帶像經(jīng)準(zhǔn)直物鏡照射到色散元件上，然后經(jīng)色散元件在垂直狹縫方向?qū)⑵渥鳛椴ㄩL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(yīng)的目標(biāo)條帶區(qū)域的光譜圖像數(shù)據(jù)。若讓成像光譜儀相對目標(biāo)運動，讓前置物鏡形成的目標(biāo)像依次通過狹縫，同時記錄狹縫的光譜圖像，即得到目標(biāo)的光譜圖像三維數(shù)據(jù)。運用軟件進行圖像處理，可得到目標(biāo)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(fā)現(xiàn)、識別目標(biāo)，可研究物質(zhì)的空間分布。

圖1.成像光譜儀成像原理圖

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