光栅成像光谱仪同心光学系统研究

　　1　引　言

　　光学遥感仪器是对地球表面及地下目标进行探测的重要工具。该仪器的一个核心部件就是高性能的成像光谱仪。成像光谱仪的光学系统一般分为前置和色散两部分。目标表面由反射的太阳光线经过前置部分成像在色散部分的入射狭缝上。色散部分再将其分解为不同波长的狭缝像,聚焦在探测器的两维光敏接收表面上,分别记录下目标的空间信息和光谱信息,达到分析目标物质成分的目的。通过连续的推扫将目标表面的像以不同波长的信息记录下来,再经过计算机数字图像处理,将目标以不同波长分别成像。现讨论了采用光栅同心光学系统作为成像光谱仪的色散部分,它的成像特点和像差分析。它结构简单、重量轻、便于安装特别适合空间技术的需要。

　　2　同心光学系统的成像特点和理想成像条件

　　所谓同心光学系统是由一系列折、反射球面组成的具有同一个球心的光学系统。它具有以下特点:

　　(1)任一条穿过系统的光线的nd值为常数[1]。其中n为光线经过的空间介质折射率,d为球心到光线的距离。(2)经过公共球心的任一条直线均为系统的回转对称轴。(3)理想成像时,入射光线与出射光线平行[2],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。(4)在全部由折射面组成的系统和由偶次反射面组成的系统里,实物成虚像,物和像在球心同侧;由奇次反射面组成的系统里,实物成实像,物和像在球心两侧[2]。

　　当物像平面为同一过公共球心的平面,并且垂直于光轴时,若物点理想成像,则像点、物点和球心在该平面内的同一直线上[2],系统将没有轴上像差、生产差和弧矢场曲,但存在Petzval场曲。一般地说,同心光学系统存在Petzval场曲,因为在同心球面上的物理想成像在同心球面上,所以仅当无穷远的物成像在无穷远时,同心系统才可消除Petzval场曲。当作为望远系统时,也就是说将系统孔径光阑设置在其前光学部分的像方焦面和后光学部分的物方焦面上,入瞳和出瞳均在无穷远处时,任一光线在物空间时平行于其在像空间时的光线,由同心光学系统的特性(3)知道,系统可以理想成像。它既是物方远心光路,也是像方远心光路。

　　需要特别指出的是,在实际同心结构里不可能理想成像。因为非抛物面(球面)使轴上总是存在着球差,光线不再满足远心条件,出射光线与入射光线不平行,存在高级场曲。这种场曲不能忽略,设计中要使它最小,可采用次级场曲抵消球差的办法来消除。其像差可由光瞳波像差表示。

　　3　两种典型同心光学系统