Offner型成像光譜儀分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理

摘要：應用以像散面為參考波面的平面對稱光學系統(tǒng)波像差理論，分析Offner型成像光譜儀分光系統(tǒng)的像散特性，確定其初始結(jié)構(gòu)。優(yōu)化設計適用于短波紅外波段（1.0~2.5μm）的此型成像光譜儀分光系統(tǒng)，設計得到的系統(tǒng)具有入射狹縫長（30mm）、相對孔徑大（F/#2.5）、結(jié)構(gòu)緊湊、物像方遠心等優(yōu)點，其狹縫光譜像的彎曲畸變和色畸變均小于百分之五個像元，成像質(zhì)量接近衍射極限。

0 引言

Offner型分光系統(tǒng)屬同心光學系統(tǒng)，具有固有像差小、相對孔徑大、譜線彎曲和色畸變小、成像質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點，適用作高分辨率成像光譜儀的分光系統(tǒng)，并已成功用于土星探測器Cassini、地球觀測衛(wèi)星EO-1和火星勘測衛(wèi)星（MRO）等光譜成像遙感器。該系統(tǒng)首先由Thevenon提出，隨后Fisher，Chrisp和Mouroulis等人給出了各種此型分光系統(tǒng)的設計，使其在相關領域得到發(fā)展。但對于該類系統(tǒng)的設計多基于光線追跡法和單塊光柵的像差理論，而對于整個系統(tǒng)像差理論研究的報導并不多見。

典型的Offner型成像光譜儀分光系統(tǒng)由兩塊凹面反射鏡和一塊凸面衍射光柵組成，是一種平面對稱系統(tǒng)，很難用軸對稱光學系統(tǒng)的初級像差理論全面地描述和分析其成像特性。Chrisp提出了基于像散參考波面的平面對稱系統(tǒng)波像差理論，可用來分析和研究各種初級像差與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關系，用于平面對稱光學系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)確定和設計。

下文首先介紹 Offner 型成像光譜儀分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理; 然后，通過簡要介紹平面對稱系統(tǒng)的波像差理論和分析其像散特性，給出確定初始結(jié)構(gòu)的方法; 最后，根據(jù)要求的技術(shù)指標，給出設計結(jié)果、像質(zhì)評價和結(jié)論。

1 結(jié)構(gòu)與原理

此分光系統(tǒng)源于Offner反射中繼系統(tǒng)，用凸面光柵代替原來的凸面反射鏡，并將反射鏡分成兩塊，如圖1所示，是一種改進型系統(tǒng)。物鏡 L 和分光系統(tǒng)（ 圖中虛線框） 一起構(gòu)成成像光譜儀，此前置物鏡將目標物成像于分光系統(tǒng)的入射狹縫S上。分光系統(tǒng)主要包含凹面反射鏡M1和M3、凸面衍射光柵G2、孔徑光闌（設在光柵G2上） 、入射狹縫 S 和像平面 F。入射狹縫和光柵柵槽的取向垂直于紙面。

經(jīng)狹縫進入分光系統(tǒng)的光，入射到凹面反射鏡M1后，反射至凸面光柵 G2，經(jīng)凸面光柵衍射色散后到反射鏡M3，反射鏡M3將不同波長的狹縫光譜像聚焦在像平面F處。在像面處放置探測器，可接收到狹縫的光譜像，這些光譜像沿光柵的色散方向均勻排列。若讓成像光譜儀沿垂直于狹縫的方向作推掃，則可獲得目標物的兩維空間信息和一維光譜信息。

圖1. Offner 型光譜成像儀結(jié)構(gòu)原理圖

2 波像差理論

衍射光柵的引入致使分光系統(tǒng)不再軸對稱，而是一種平面對稱系統(tǒng)，入射狹縫中心、光柵頂點和反射鏡M1、M3 的頂點位于對稱平面內(nèi)。根據(jù)文獻，通過引入像散參考波面，在近基（ parabase） 范圍內(nèi)（ 圖 2 中AOB 為光學表面的基線（ base ray） ，位于對稱平面內(nèi)） ，可將波像差 W 展開表示為

。..。..

5 結(jié) 論

以上采用平面對稱系統(tǒng)的波像差理論，給出了 Offner 型成像光譜儀分光系統(tǒng)子午和弧矢離焦像差系數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關系式，在此基礎上分析了像散特性，給出對一個波長消像散的條件。利用此消像散條件，給出系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的確定過程。設計得到了工作于短波紅外的大視場成像光譜儀分光系統(tǒng)，它具有物像方遠心、結(jié)構(gòu)緊湊、譜線彎曲和色畸變小等特點，成像質(zhì)量接近衍射極限。該系統(tǒng)的三個元件均為球面元件，且口徑不大，加工相對較為容易。其中主鏡 M1 的傾斜和偏心公差對像質(zhì)影響較大，實際裝調(diào)過程中可通過三鏡 M3 的傾斜和偏心來補償，系統(tǒng)的加工、裝調(diào)精度要求容易實現(xiàn)。

鑒于篇幅，本文僅為節(jié)選［蘇州大學學報（自然科學版）第27卷］

審核編輯 ：李倩