工作于长波红外波段(8~12?m)的成像光谱仪在遥感领域具有明显的优势,近年来随着红外探测器技术的飞速发展,长波红外成像光谱仪在地雷探测,化学云层绘图,林火监测等军民领域得到了越来越广泛的应用。成像光谱仪由前置望远物镜和光谱分光系统两部分组成,其中分光系统是成像光谱仪的核心组成部分。8~12?m波段范围内的遥感信号十分微弱,光学系统往往需要具有较高的辐射通量以满足信噪比的要求,而传统的平面光栅光谱仪难以同时实现高信噪比与小型化光学系统的优化设计。同心结构光栅光谱仪结构简单紧凑,体积小,数值孔径大,谱线弯曲和色畸变小,十分适用于长波红外成像光谱仪的设计。Dyson结构是一种典型的同心结构,基于Dyson结构的光谱仪承载了同心结构的上述优势。根据Dyson结构的特点及像差特性,选择硒化锌作为厚透镜材料,并通过分析Dyson光谱仪的像差特性,权衡光谱仪小体积、高光谱分辨率的要求,推导了适用于长波红外波段范围的Dyson光谱仪初始结构的计算方法。选择相同的狭缝长度、光谱分辨率以及探测器,通过与另一种典型的同心结构——Offner结构,在不同的F数及不同光栅常数下的对比分析,验证了长波红外波段范围内Dyson光谱仪在辐射通量与体积大小方面的优势所在。设计了一款F数为2的基于Dyson结构的制冷型长波红外成像光谱仪。选择F数为2的HgCdTe制冷型探测器,其阵列大小为256×256,像元尺寸为40?m。为了获得最合理的信噪比与光谱分辨率,令狭缝宽度等于像元尺寸,为40?m。选择离轴三反结构作为前置望远物镜,它可以为后续光学系统提供理想的狭缝处的像。在进行整体设计的过程中,采用二次成像法实现了100%冷光阑效率,并通过像差平衡原理,避免了传统Dyson光谱仪中校正镜的使用。该成像光谱仪光谱分辨率为25nm,空间分辨率为0.2mrad,总视场角为2.93°,系统体较小,为300×250×116mm3。系统最大的谱线弯曲为27?m,稍大于狭缝宽度的一半,可以很容易地在后续数据处理中得到校正;系统的色畸变18?m,满足成像光谱仪的要求。设计了一款F数为1.25的基于Dyson结构的非制冷型长波红外成像光谱仪。选择微测辐射热计作为探测器,其阵列大小为640?480,像元尺寸为17?m。为了获得更多的辐射通量以提高信噪比,令狭缝宽度为二倍的像元尺寸,为34?m。选择了能够实现更大数值孔径以及视场角的透射式结构作为前置望远物镜。该成像光谱仪光谱分辨率为25nm,空间分辨率为0.3mrad,总视场角为9.35°,系统体积较小,为142×180×63mm3。系统的谱线弯曲为0.03?m,色畸变为17?m,均小于狭缝宽度的一半,符合设计要求。
