微型集成超光谱成像系统

　　1　引　言

　　20世纪80年代中期, Alexander F. H.Goetz提出了超光谱成像的概念[1]。基于平面或凹面光栅的光谱成像系统,受像差校正的限制,系统相对孔径一般低于F/4,能量利用率偏低,光谱像存在明显的弯曲和色畸变[2],成像放大率随波长变化,难以适用于超光谱成像系统。意大利Galileo Avionica公司首先采用Thevenon的建议[3],用凸面光栅代替Offner中继光学系统中的凸面反射镜,1995年研制出了世界上第一台凸面光栅超光谱成像仪系统VIMS,已用于Cassini号土星探测器和多颗其他卫星,如美国Philip实验室研制的凸面光栅超轻小光谱成像仪HIS(Hy-per-spectral Imaging System)和“海洋成像光谱仪”COIS(VS-15),已分别装备于海洋测绘观测NEMO卫星;美国TRW公司研制的Hyperion凸面光栅超光谱成像仪已用于对地观察EO-1卫星[4-7]。

　　Offner中继光学系统由同心球面反射镜构成,具有自动消除Seidal像差、结构紧凑和光学加工相对简单等优点,用凸面闪耀光栅代替其中的凸面反射镜,可研制质量、体积超轻小,相对孔径大的超光谱成像光学系统,促使超光谱成像系统向小型化、轻量化、便携化的方向发展。然而,反射光学系统要求装调装配精度高、技术难度大、长期使用稳定性较差,对此本文提出一种微型、集成的超光谱成像系统,介绍了该系统的结构原理与设计思想,采用固化方法,将由两块球面反射镜和一块凸球面光栅组成的光学系统固化为一体。然后,给出设计实例及其像质评价,优化设计得到的光学系统物方和像方远心,体积<30 mm×30mm×30 mm,F数为F/2.5,放大倍率为1∶1,成像质量接近衍射极限。

　　2　原理与结构

　　Offner于1971年提出的中继光学系统如图1所示[4],由两块球面反射镜M1和M3构成,它们的曲率中心重合于轴上点P点。Offner中继系统起转像作用,从物面上O点发出的光首先经过凹面反射镜M1下部的第一次反射到达凸面反射镜M3,由M3反射至M1上半部分,再经M1上部的第二次反射,在I处形成放大倍率为1∶1的像,像点I和物点O关于P点对称,且P、I和O在同一平面内。这种系统固有像差小[7-9],无球差、彗差和畸变,当反射镜M1的曲率半径等于反射镜M3的两倍时,场曲和三级像散自动消除,可以实现大相对孔径。

　　Thevenon基于Offner中继系统建议的凸面光栅光谱成像系统[2]如图2所示,用凸面衍射光栅G代替Offner中继系统的凸面反射镜M3,用共球面的两块分离反射镜M1和M1′代替图1所示Offner系统中的反射镜M1。前置光学系统(图中未画出)形成的被测目标的像位于光谱仪的入射狭缝S处,通过此狭缝进入Offner成像光谱仪系统后,首先到达M1,由M1会聚至凸面光栅G,再由凸面反射光栅衍射至M1′,最后经M1′反射,在焦平面CCD处形成不同波长的光谱像Oλ1,…,Oλn。用凸面光栅代替Offner中继系统的凸面反射镜,保持了同心结构及其小像差特性。