插入Féry棱镜的小型Offner超光谱成像系统的设计

　　1　引　言

　　超光谱成像光谱仪(简称成像光谱仪)是指既能对目标成像又可以测量目标光谱特性的光学遥感器,其特点是光谱分辨率高、波段连续性强、图谱合一,目前已经广泛应用于军事和商业各领域。随着现代航空航天技术的飞速发展,要求飞行器搭载的有效载荷在具有高分辨率的同时还具有更小的质量和体积。因此,如何减小成像光谱仪的体积和重量的工作很受关注。光谱成像仪的体积和质量主要由光机结构决定,而整个光学系统主要由前置望远镜系统和成像光谱仪系统组成,因此,成像光谱系统的分光结构的选择直接影响成像光谱仪的体积和质量。近年来,很多国内外学者研究了将光栅或棱镜应用于Offner中继结构组成Offner结构的光谱成像系统[1-4],得到的研究结果表明这种结构在一定程度上实现了光谱成像系统的小型化和轻量化,减小了谱线弯曲和谱带弯曲。

　　虽然上述Offner结构光谱成像系统具有结构上的优点,但是它们本质上的缺点依然存在。对Offner光栅光谱成像系统,由于采用的是凸面光栅,具有衍射效率低,光通量小,偏振灵敏度高,有级次重叠,高级衍射杂光、鬼像多等缺点。另外,国内外凸面光栅的加工技术均不够成熟,且价格昂贵,目前国内的应用需求主要还是依赖进口。因此,在宽光谱范围内的应用主要还是考虑采用棱镜作为色散元件。棱镜的缺点是光谱成像谱线弯曲较大,并且具有很大的色散非线性,这种非线性在波长较大(如短波红外(SWIR)光谱通道)时不是很明显,但在接近紫外方向波长较小(如VNIR光谱通道)时很严重,给数据处理和后续应用带来很大难度[5]。解决该问题的办法之一是在光路中使用复合棱镜或消色差棱镜。

　　本文针对Offner光谱成像结构提出了一种结构改进方法,该方法分别在Offner光谱成像结构的主镜和三镜之前加入Féry曲面棱镜,并使光路两次通过Féry棱镜,从而获得两倍于传统offner棱镜光谱成像系统的角色散,因此当获得指定需要的色散时这种新型结构具有更小的质量和体积,并且继承了Offner成像结构和棱镜分光结构的所有优点。对于VNIR光谱通道,在上述结构中再加入一对消色差火石Féry棱镜,就可以很好解决非线性色散问题。本文分析并设计了VNIR和SWIR两个谱段的这种光谱成像结构,给出了设计结果,并对结果进行了分析。

　　2　插入Féry棱镜的Offner光谱成像系统的分析

　　2.1　Féry棱镜原理

　　上个世纪初,为了使摄谱仪得到“纯净”的光谱,C.Féry提出用曲面棱镜取代平面棱镜,结果表明这种改进具有很多平面棱镜无法比拟的优点[6]。几十年后,Lobb等人提出Féry棱镜概念并将其应用到光谱成像系统,进而引入到Offner结构光谱成像系统,获得了很好的光谱成像效果[7]。