小型Offner光谱成像系统的设计

　　1　引　言

　　超光谱成像仪是在遥感平台上以高空间分辨率和高光谱分辨率获得地物超光谱图像的遥感仪器,在军事侦察及农、林、水、土、矿等资源调查方面具有广阔的应用前景。从Goetz[1]提出超光谱成像的概念至今,经过20多年的发展,世界各国已研究开发了十几台航空超光谱成像仪[2],比较著名的有AVRIS[3]、CASI[4]、AIS[5]、HYDICE[6]、O2cean PHILLS[7]等,1997年美国NASA发射了世界上第一颗超光谱小卫星LEWIS,其上搭载了世界上首台航天超光谱成像仪HSI[8],随着军事和民用领域对超光谱图像需求的不断扩大,美欧等国已将超光谱成像仪作为一个非常重要的遥感手段列入多个航天计划,先后有多台航天超光谱成像仪发射升空,获得的图像数据已经在大气、陆地、海洋资源调查等方面得到广泛的应用。

　　随着小卫星及微小卫星技术的蓬勃发展,对有效载荷小型化和轻量化的要求也越来越高。超光谱成像仪也面临同样的问题,实现小型化和轻量化以便适应多种平台的搭载。超光谱成像仪的体积和质量主要由光机结构决定,整个光学系统由望远成像系统和光谱成像系统组成,因此光谱成像系统的选择直接关系到超光谱成像仪的体积和质量。传统的在准直光束中使用光栅或棱镜的方法存在着谱线弯曲的缺点,且难于降低体积和质量,近年来出现的在发散光束中使用光栅或棱镜的方法既实现了光谱成像系统的小型化和轻量化,又解决了谱线弯曲和色畸变的问题。本文研究了在发散光束中使用光栅或棱镜的小型Offner光谱成像系统,并给出了设计结果,分析了存在的问题和解决的方法。

　　2　Offner光谱成像系统

　　Offner光谱成像系统是在反射式Offner中继光学系统[9]的基础上发展起来的新型光谱成像系统,有凸球面光栅和曲面棱镜两种形式。Offner凸球面光栅光谱成像系统是美国喷气动力实验室(JPL)的一项专利技术[10],已用于O2cean PHILLS[11]、Hyperion[12]、COIS[13]等航空或航天超光谱成像仪;Offner曲面棱镜光谱成像系统在发散和会聚光束中分别插入一块曲面棱镜(透镜的边缘部分),利用玻璃材料的高色散特性获得目标狭缝不同波长的图像,该技术是英国Si2ra公司的一项专利技术,并已经用于欧空局(ESA)Probe小卫星的小型高分辨率成像光谱仪(CHRIS)[14],在后继项目SPECTRA中也计划采用该光谱成像系统。

　　在超光谱成像仪中使用的光谱成像系统要求具有很小的谱线弯曲(Smile)和色畸变(SpectralKeystone),谱线弯曲是指狭缝的不同波长弯曲图像与直线的偏离程度,一般以偏差与狭缝像高的比值来表示;色畸变是由光谱成像系统对狭缝不同波长的像放大率不同引起的,典型的情况是红色狭缝像要长于蓝色狭缝像,使离轴视场点的不同波长的像点不在垂直于狭缝的一条直线上,而是一条斜线,从而导致该点的不同波长的像点不在一列探测器像元上,为数据处理和后续应用带来了一定的困难。