一种光栅型成像光谱仪光学系统设计

摘要：成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发，利用ZEMAX软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中，前置望远物镜采用反射式结构，传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限，设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正，最终设计的望远镜头传函在50lp/mm处达到0.5，场曲控制在0.078以内，且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统，该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率＜5nm，MTF在50lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2，波长的80%的能量集中在φ6μm范围内，波长各视场在特征频率50lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。

关键词：光学系统设计；光栅型成像光谱仪；卡塞格林前置望远物镜；凸面光栅光谱成像

引言

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。

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

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