棱镜分光光谱仪的光学系统设计与光谱特性计算

　　0　引言

　　超光谱成像技术是在20世纪80年代前后的成像光谱技术基础上发展起来的.经过十多年的发展,成像光谱技术在机载平台获得了成功的应用.先后有美国国家航空和宇宙航行局的机载可见/红外成像光谱仪( Airborne Visible/Infrared ImagingSpectrometer,AVIRIS),欧洲的机载成像光谱仪(Airborne PRISM EXPERIMENT,APEX),中国的实用型模块化成像光谱仪(Operational ModularImaging Spectrometer,OMIS)以及推帚式超光谱成像仪(Pushbroom Hyperspectral Imaging,PHI)等.在机载仪器成功研制并推广应用的基础上,世界各航天大国纷纷开展超光谱成像技术的空间应用,主要有欧洲的小型高分辨率成像光谱仪(CompactHigh Resolution Imaging Spectrometer,CHRIS)、澳大利亚的资源环境成像成像光谱仪(AustraliaResource Environment Imaging Spectrometer,AREIS)和意大利的超光谱先驱应用卫星( Hyperspectral Precursor and ApplicationMission,PRISMA)等[1].

　　自从超光谱技术出现以来,各种不同的分光技术都在超光谱成像仪中得到了应用,其中棱镜分光系统是唯一光谱无叠级的系统,且结构简单,具有大的自由光谱范围;对整个光谱,通光量不变并且具有很高的透过率.因此用镜面数少的望远镜和分光效率高的棱镜光谱仪组成的光学结构可提高系统总透过率,以达到提高系统辐射信号收集能力的目的.

　　国外以棱镜作为分光形式的有效载荷有欧空局CHRIS、意大利航天局PRISMA、机载成像光谱仪APEX等.CHRIS采用曲面棱镜校正像差,结合三反中继成像系统,获得了较好的效果.PRISMA的光学系统设计采用透射棱镜放置于平行光路上来进行分光,可获得更高的效率和更小的偏振灵敏度.APEX光谱仪中的棱镜置于平行光路中,色散后的光路里采用透镜组来校正像差,为了分割开短波通道和可见近红外通道第一个色散棱镜的第二面镀有分色膜系,对于可见近红外波段有更高的反射率.

　　在设计整个成像光谱仪中,光学系统设计决定仪器的最后性能[2].目前比较典型的是离轴全球面成像光谱仪( Off-axis Imaging Spectrometer,OASIS)和离轴非球面准直会聚光谱仪[3].本文设计的离轴校正透镜光谱仪光学系统由准直光学系统、色散元件、成像光学系统三个部分组成.相对其它结构[4],离轴校正透镜的采用,避免了大口径同心透镜,仅采用一个色散棱镜.该结构有效校正了大视场像差,色散非线性修正效果显著,通过调节离轴角和光谱仪的焦距控制了畸变,补偿了与波长相关的狭缝弯曲,减小了残余像差,并降低了整个光谱仪工程实施的难度.

　　1　两种棱镜分光光谱仪的光学设计

　　成像光谱仪由望远系统与光谱仪组成.扫描反射镜使接收地面辐射转向入射到望远镜,获得地面景物图像,通过入射狭缝成为限定的条式视场入射到光谱仪,用面阵探测器接收入射狭缝的被色散的光谱图像.探测器阵列的行输出空间信息,而列输出光谱信息.