一种凸面光栅Offner结构成像光谱仪的设计方法

　　1　引　　言

　　凸面光栅Offner结构成像光谱仪是在Offner提出的同心三反射镜成像光学系统的基础上发展起来的。它由两个同心的球面反射镜组成,一个为凹面镜,另一个为凸面镜[1]。若干年后,Thevenon提出把其中的凸面镜改成凸面衍射光栅、可做成新型的成像光谱仪的思想[2]。这种结构的成像光谱仪与原有的采用平面光栅或凹面光栅结构的成像光谱仪相比,具有明显的优点[3-5]。首先,它的光谱性能大大超过其他类型的光谱仪。一个微型Offner结构的设计方案可以使畸变小于一个像素的0.1%,而在原有的成像光谱仪中,如采用凹面光栅的Dyson结构成像光谱仪,在相同情况下能够取得的最小畸变至少是它的几十倍。其次,它很容易做成小型化和轻型化的仪器,适合空间技术的发展需要。

　　2　凸面光栅O ffner结构成像光谱仪

　　图1是凸面光栅同轴Offner结构成像光谱仪的示意图。地面目标6经前置光学系统4成像在狭缝3上,进入Offner色散系统,经大凹面镜1反射在凸面光栅2上,由凸面光栅2衍射的各单色光再经大凹面镜1反射至面阵探测器5上。探测器将各波段的狭缝像记录下来,通过飞机的飞行扫描,将全部的地面目标6的空间信息和光谱信息记录下来,再经过数字图像处理后,呈现各波段　　的地面目标6的像。运用分析软件,可以对目标成份进行直接分析。

　　3　凸面光栅O ffner结构成像光谱仪的设计

　　Offner运用波像差理论分析了Offner同轴、同心三反射镜光学成像系统[2],如图2所示,指出在这个系统中存在一个消除了3次和5次像差的“无”像差环视场。

　　Offner结构成像光学系统是一个同心光学系统,具有以下特点[6]: 1)任一条穿过系统的光线的nd值为常数,其中n为光线经过的空间介质折射率,d为公共球心到光线的距离;2)理想成像时,入射光线与出射光线平行,或者入射光线和出射光线到球心的距离之比等于像空间和物空间折射率之比,并且物点、像点和公共球心在同一条直线上。

　　文献[6]运用同心光学系统的成像特点和光线追迹方法详细分析了这个“无”像差环视场的存在,并且提供了一种十分简单的设计方法。使用者不必是光学设计专业人员,也不需要熟悉光学计算机辅助设计软件,而仅仅应用初等数学就能够计算出“无”像差环视场的设计参数如图2所示的Offner结构同心三反射镜成像光学系统,R是大凹面镜的半径,r是凸面镜的半径,h是“无”像差环视场的半径;使光轴垂直于物像平面,物点A、像点A′和公共球心C在同一条直线上;给定R、r值,应用以下公式计算出“无”像差环的半径h,

　　在这个环上,主光线的入射和出射光线互相平行并且垂直于物像平面,满足同心光学系统理想成像条件;而其余光线的入射和出射光线不再平行,在孔径角μ不大的条件下,由于主光线垂直于物像平面,在其他条件不变的情况下,这种不平行带来的像差影响最小。在偏离这个环的有限范围内,由于μ很小,光线的入射和出射不平行也非常小,像差十分有限。