二元光学超光谱成像仪分光系统设计

　　1　引　言

　　20世纪80年代,遥感技术的重要成就之一是超光谱遥感技术的兴起,它是遥感技术的重要进步和发展。成像光谱仪亦称为超光谱成像仪,它能够在波长相邻、连续采样的窄带光谱波段上获得数十至数百个通道光谱图像,利用这种高光谱分辨率的超多光谱图像数据,可以根据地球表面众多物体的光谱特征识别它们,还能做到对地面物质的理化、生物性能诊断和成分分析等,因此,它具有广泛的应用前景和其它技术手段无可比拟的优势。在过去的十几年里,欧美等国先后投入了大量人力和物力对成像光谱仪进行研究,已发展了多种色散型、计算层析型和干涉傅立叶变换类型的超光谱成像技术,它们中的一些已在实际系统中得到应用[1—5]。美国光量子中心罗姆实验室的Denise Lyons在1995年4月国际光学工程学会上,提出一种新颖结构,利用二元光学透镜独特的色散特性设计出用于可见或红外光谱范围的成像光谱仪[6]。此光谱仪光学系统简单、体积小、重量轻、坚固耐用、价格低廉,便于实现小型化和轻量化。由于国内二元光学元件加工工艺的限制,本文提出以折衍混合单透镜代替衍射透镜来实现色散和成像,并给出了混合单透镜的设计方法和设计结果,以期待对二元光学超光谱成像仪的研制开发及应用有所裨益。

　　2　二元光学超光谱成像仪的基本原理

　　二元光学超光谱成像仪是一种沿光轴方向色散的仪器,它采用了PAT公司发明并取得专利的创新技术[7]“成像多光谱检测”(IMSS—Image Multi-Spectral Sensing)。二元光学超光谱成像仪使用单一的二元光学衍射透镜同时完成成像和色散功能,其基本概念如图1所示,在图中,比较了二元光学超光谱成像仪和普通单色仪。在一台普通(常规)单色仪中,基本的元件是入射狭缝、出射狭缝和色散介质(棱镜或光栅)。为了得到高分辨率图像,入射狭缝和出射狭缝都必须很窄,这样就缩减了系统的光通量。普通单色仪将光线垂直于光轴方向色散,因此可通过狭缝沿光线色散方向扫描来获取光谱图像。

　　在二元光学超光谱成像方法中,二元光学衍射透镜同普通透镜一样会聚入射光线,但它不是根据折射,而是衍射原理。由于衍射作用,透镜产生色差的有效焦距同波长成反比[6]

　　衍射一级透镜公式用于衍射透镜时,沿光轴方向的像距依赖于波长λ,当已知si和s0时,求出波长λ,根据这一原理可设计出光谱仪。

　　因此,与棱镜或光栅等元件将光线垂直于光轴方向色散的特性不同,二元光学透镜将入射光线沿光轴方向进行色散(图1),不同波长的光会聚于光轴上不同的位置,同一目标的不同波段的图像将沿光轴方向分层排列,将面阵探测器置于光轴的不同位置处就可获取不同波段的图像。