一种新型干涉成像光谱仪光学系统研究

　　一、引言

　　从80年代开始,人们对航天遥感仪器的要求越来越高,在满足一定地元分辨率的条件下还要求同时测定地元光谱,以研究目标的物理特征。为了克服多光谱扫描仪光谱信息量太少,不能提供一定光谱范围内比较完整的光谱图的缺点,发展了成像光谱技术。

　　干涉成像光谱在原理上具有高光谱分辨率与高“能量通过力(throughput或etendué)”等优点。理论分析表明,在相同情况下,与典 型色散型成像光谱仪相比,干涉成像光谱的能量通过力要高300倍左右,而光谱分辨率一般也高两个数量级以上。但是,由于一般的干涉成像光谱仪中都必需有一 套精度要求很高的动镜系统,给研制带来了许多困难。为了克服这一问题,90年代以来,国际上出现了一种新型干涉成像光谱技术——无动镜干涉成像光谱技术。

　　我们设计研制了大孔径静态干涉成像光谱仪——LASⅡ形式,其能量通过力很高,因此光学系统体积、重量等均大幅度降低。但它对卫星飞行侧滚、偏 航等比较敏感,对光谱的测量为准实时;同时,在大视场傅里叶变换光谱仪中,干涉图的调制度除了与光谱仪的视场角、光程差以及所使用的波长有关外,还对前置 光学系统提出了额外的要求。

　　二、原理分析

　　图1是LASⅡ的光学原理图。可见,LASⅡ实际上是在一个普通摄影系统中加入横向剪切分束器,使最终像面上得到的不再是目标的直接像,而是目标的干涉图像,并且在飞行方向上,不同视场的目标单元,其干涉强度有不同的光程差。

　　考虑图1中横向剪切分束器的作用后,对横向剪切分束器之后的光学系统来说,等效光路如图:自像面1之后部分,像面1和准直镜均被分成虚像对,由图2可见,干涉强度的光程差为

　　如果收集镜采用傅里叶镜,上式精确成立。采用普通物镜,上式还要乘因子cosω2。

　　三、系统分析

　　由图1可见,光线由前置光学系统进入系统,到达一次像面,经准直镜进入横向剪切分束器,再经收集镜成像在CCD靶面上。前置光学系统类似于照相 物镜,考虑到在CCD靶面上进行平面成像,要求能正确地反映物体在平面像上的形状;在景深方面,为了将立体感物体成像于平面内,在像差校正中须考虑像的模 糊问题,像面边缘光通量及彩色平衡等因素,系统必须校正单色光的5种像差和两种色差。此外,整个光学系统应合理安排,使横向体积、重量减至最小,便于空间 应用。

　　由图1可见,为了减小入射到准直镜上的光束口径,在一次像面处放置场镜,场镜采用单片正透镜,倒像系统,其所带入的正场曲由系统一并考虑。考虑 到准直镜和收集镜实际是同系统逆用,当光阑位置由前组光学系统成像在横向剪切分束器中间时,两组光学系统相对于光阑成对称分布,垂轴像差互相抵消,简化系 统设计。该仪器用于较宽的光谱范围(0.5～1μm),二级光谱则成为影响像质的主要因素,在选型时,应充分考虑二级光谱的影响。可以选用三片型进行前置 光学系统设计。