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(jì)算層析型。其中，光柵色散型成像光譜儀由于原理簡(jiǎn)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(duì)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(diǎn)，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(yuǎn)物鏡及光譜成像系統(tǒng)構(gòu)成。目前前置望遠(yuǎn)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(diǎn)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(jiǎn)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(shí)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(duì)上述問題，本文提出了一種設(shè)計(jì)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(shí)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(duì)光譜成像系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(duì)上述問題，為了達(dá)到儀器設(shè)計(jì)要求，提出了基于凸面光柵的設(shè)計(jì)方法。

IsoPlane-320上再次得到展現(xiàn)，它獨(dú)特的零像差光學(xué)設(shè)計(jì)讓圖像和光譜的分辨率大幅度提高，同時(shí)還擁有更強(qiáng)的光通量。其分辨率可以媲美1/2米焦長(zhǎng)的光譜儀，卻是其光通量的兩倍，使得IsoPlane成為高要求低光實(shí)驗(yàn)中理想的選擇。

IsoPlane-160用非常小巧的設(shè)計(jì)達(dá)到了1/3米焦長(zhǎng)光譜儀才能達(dá)到的分辨率。它 f/3.88的光學(xué)設(shè)計(jì)提高了分辨率，不僅是光譜應(yīng)用，也是顯微光譜儀的理想選擇。

光學(xué)設(shè)計(jì)將象差降低到零，與普通光譜儀相比，大幅度的提高了空間分辨和光譜分辨率。大口徑的光學(xué)設(shè)計(jì)以及可以更換的三光柵塔輪，滿足了客戶從紫外到近紅外的或高或低分辨率的光譜探測(cè)需求。

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(yuǎn)物鏡成像在狹縫平面上，狹縫作為視場(chǎng)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(zhǎng)色散，最后由成像物鏡會(huì)聚成像在成像光譜儀像平面上的二維CCD探測(cè)器上。這樣，面陣探測(cè)器得到的每幀圖像是與狹縫對(duì)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(duì)目標(biāo)運(yùn)動(dòng)，讓前置物鏡形成的目標(biāo)像依次通過狹縫，同時(shí)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(yùn)用軟件進(jìn)行圖像處理，可得到目標(biāo)各個(gè)波段的二維圖像，空間每一點(diǎn)的光譜分布，或多個(gè)波長(zhǎng)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(shí)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

2 系統(tǒng)光學(xué)參數(shù)的確定

成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)參數(shù)包括望遠(yuǎn)物鏡的光學(xué)參數(shù)和光譜成像系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)。光譜成像系統(tǒng)是成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)的核心部分。因此，根據(jù)該系統(tǒng)的使用要求，首先根據(jù)相關(guān)理論確定光譜成像系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)，然后通過前置望遠(yuǎn)系統(tǒng)與光譜成像系統(tǒng)遠(yuǎn)心匹配原則確定的前置望遠(yuǎn)物鏡的光學(xué)參數(shù)。最終確定的光學(xué)參數(shù)如表1所示。

3 成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

光柵型成像光譜儀光學(xué)系統(tǒng)由前置望遠(yuǎn)物鏡與光柵光譜成像系統(tǒng)構(gòu)成。前置望遠(yuǎn)物鏡是整個(gè)成像光譜儀光線的公共入口， 能夠?qū)⑦h(yuǎn)處目標(biāo)的像成在狹縫處以實(shí)現(xiàn)推掃成像的目的。光柵型光譜成像系統(tǒng)由準(zhǔn)直物鏡、 光柵和成像物鏡３ 部分組成。準(zhǔn)直物鏡使入射光柵的光束為平行光束， 此平行光束經(jīng)過光柵色散后由成像物鏡匯聚到像平面。因此， 光柵型成像光譜儀的設(shè)計(jì)由前置望遠(yuǎn)物鏡設(shè)計(jì)和光譜成像系統(tǒng)設(shè)計(jì)兩部分組成。

3.1前置望遠(yuǎn)物鏡的設(shè)計(jì)

從系統(tǒng)的光學(xué)參數(shù)可以看出，該系統(tǒng)視場(chǎng)角較小，所以軸外像差對(duì)整個(gè)像質(zhì)的影響不大。因此首先考慮用卡塞格林結(jié)構(gòu)為初始結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)卡塞格林像差與遮攔比和放大率的關(guān)系，以及要滿足主次鏡曲率和主次鏡間距均小于零的約束條件。經(jīng)過反復(fù)幾次計(jì)算，最終得到的初始結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2所示

由于該系統(tǒng)視場(chǎng)角和相對(duì)孔徑不大，所以主要考慮的是球差及彗差的校正，因此將主次鏡半徑、間距以及主次鏡的二次曲面系數(shù)c1c2設(shè)為變量?jī)?yōu)化，優(yōu)化完成后2個(gè)反射面均為雙曲面，主次鏡二次曲面系數(shù)最終分別為-1.106935和-1.708386。最終優(yōu)化的結(jié)果如圖2和圖3所示。

圖2.傳統(tǒng)卡塞格林望遠(yuǎn)物鏡光學(xué)系統(tǒng)圖

圖3.傳統(tǒng)卡塞格林望遠(yuǎn)物鏡像差曲線圖

審核編輯黃宇