Ebert-Fastie型双层结构平面全息光栅双单色仪的光学设计

　　1 引 言

　　空间紫外遥感是除可见、红外及微波遥感以外的一个具有突出优势的遥感领域，在大气物理、环境科学、气象学、目标/背景信息等方面有重要应用，近年来发展十分迅速[1-4]。单色仪是进行空间紫外遥感高精度光谱辐射测量的核心仪器，但它在产生单色光的同时，也存在程度不同的杂散光。所谓单色仪的杂散光是指出射光束中所需光谱范围以外其他波长的光辐射量，这种不需要的“杂光”辐射混在所需波带的辐射中输出，不但使出射光束的单色性降低，而且形成光谱辐射测量中的背景光，降低信噪比，甚至淹没微弱的有用光辐射信号[5-7]。一般单色仪的杂散光水平为10^-3，远远不能满足空间紫外遥感高精度光谱辐射测量的要求，因为太阳和太阳后向散射辐射变化剧烈，要求单色仪的杂散光水平为10^-6。

　　双单色仪是减少杂散光的最可靠的办法，为满足空间紫外遥感高精度光谱辐射测量的要求，设计了一种色散相加的 Ebert-Fastie 型双层结构平面全息光栅双单色仪，该系统由球面准直聚光镜、平面和屋脊转向镜、平面全息光栅及入射、出射和中间狭缝组成，扫描波长范围160～400 nm。具有结构紧凑、色散相加、高光谱分辨率、低杂散光水平等特点，系统的光谱分辨率小于0.15 nm，杂散光水平为10^-6，满足空间紫外遥感高精度光谱辐射测量的要求。

　　2 双单色仪的结构原理

　　双单色仪是将两个单色仪串接起来使用的仪器，第一个单色仪的出射狭缝通常是第二个单色仪的入射狭缝，由于光线经过两个单色仪两次色散，因此从第二个单色仪出射狭缝射出的单色光光谱质量明显改善。由于两个单色仪连接的方式不同，它们的色散率、像差、角放大率和杂散光各不相同。根据双单色仪的色散性质，双单色仪一般分为色散相加和色散相减两大类。根据色散加法原理[8]，可以判断一个双单色仪是色散相加型还是色散相减型。设想在双单色仪入缝S1和出缝S3处各设置一个多色光源。它们将在中间狭缝S2形成两列光谱。如果两列光谱有相同指向，则双单色仪为色散相减型。如果两列光谱具有相反指向，则双单色仪为色散相加型。

　　当两个单色仪完全相同、且角放大率 γ1=γ2=1 时，色散相加型双单色仪的总线色散率为第一个单色仪线色散率的二倍，即(dl/dλ)加=2(dl/dλ)1，而色散相减型双单色仪的总线色散率为零，即(dl/dλ)减=0。虽然由两个完全相同的单色仪组成的色散相减的双单色仪在理论上总线色散率为零，但由于两者之间有中间狭缝(兼作第一个单色仪的出射狭缝和第二个单色仪的入射狭缝)，它只让很狭窄的光谱范围的 λ 的光进入第二个单色仪，所以第二个单色仪不会把经第一个单色仪分解开的不同波长的光又重新复合起来。因此，色散相减型双单色仪的总色散率实际上不等于零，而等于第一个单色仪的色散率，即(dl/dλ)减=(dl/dλ)1。双单色仪总的理论分辨率和总色散率相似，对于由两个完全相同的单色仪构成的色散相加的双单色仪而言，总的理论分辨率为一个单色仪理论分辨率的二倍，即R加=2R1，对于色散相减的双单色仪，总的理论分辨率等于一个单色仪的理论分辨率，R减=R1。在空间紫外遥感高精度光谱辐射测量中，既要求单色仪系统有很高的光谱分辨率，又要求有很低的杂散光水平。根据双单色仪的一般原理，我们选择色散相加的双单色仪设计方案，设计了一种结构紧凑色散相加的 Ebert-Fastie 型双层结构平面全息光栅双单色仪。