短波红外棱镜-光栅-棱镜成像光谱仪光学系统设计

　　0　引言

　　1991年,Aikio首次提出了一种直视型棱镜-光栅-棱镜(Prisim-Grating-Prism, PGP)成像光谱仪[1],后来迅速发展应用到工业探测和科学研究中.1993年,在AISA中便利用了这种光谱仪器[2].国内,上海技术物理研究所首先在航空高光谱成像仪以及显微光谱系统[3]中应用了这种分光技术;之后苏州大学也有一些该方面的研究,但其是基于直视型窄光谱波段的研究.直视型系统中仍有可观的keystone和smile存在[4],尤其在宽视场宽波段光谱成像系统中更为明显.本文基于PGP这种分光器件,设计了一个宽视场、宽波段、良好校正光谱弯曲的短波红外成像光谱仪光学系统.

　　1　设计思想

　　该推帚式成像光谱仪由望远物镜、狭缝、准直镜、色散器件(PGP)、会聚镜和面阵探测器组成.望远物镜采用长线性视场的离轴三反射镜系统.

　　1.1　主要技术指标

　　系统的主要空间技术指标和光谱技术指标如表1.

　　1.2　系统工作原理

　　来自条带形地表目标的辐射进入仪器的望远物镜中,成像在置于望远物镜焦面上的狭缝处,通过狭缝的连续光谱辐射,经由准直镜准直后,经PGP色散器件色散,再由会聚镜会聚于面阵探测器上.此时,面阵探测器中的一维完成空间成像,称之为空间维,而另一维完成光谱成像,称之为光谱维,再经由平台的向前(y方向)运动而完成大范围的推帚成像,如图1.

　　1.3　分光原理

　　PGP分光器件是由两个棱镜中间粘结一个体相位全息透射光栅而制成,在棱镜和光栅之间贴有前截止和后截止滤光片以限制光谱波段范围,具有体积小、效率高及成本低的特点.在主光轴不偏转的情况下,满足布拉格条件,此时衍射效率最高.基于一个由光栅、会聚光学和探测器组成的简单模块,可以用公式来表示光栅刻线数[5]

　　其中,f为聚焦光学的焦距,λL为工作谱段上限,λC为中心波长,Hλ为探测器光谱维高度,a为探测器光谱维使用系数.

　　2　设计过程及结果

　　2.1　望远物镜的设计

　　物镜的设计遵循仪器轻小紧凑、与光谱仪光瞳匹配的原则,设计为TMA望远物镜形式,并且设计成准像方远心结构,如图2.主镜和三镜设计成二次非球面,次镜为凸球面.设计过程中,除考虑结构排布是否相干扰外,绩优函数中只需要设置像质约束来优化即可.设计结果列于表2中.

　　由于光谱仪用的是离轴视场,为了避免结构件相互干扰,望远镜选用了较大的离轴视场,由于对应狭缝像弯曲随着视场的增大而加大,某一条带的地表区域通过TMA望远镜所成的像在像方已经不是一条直线,而是弯曲的.这可以通过简易图象处理技术可以消除这一影响.