高光谱成像仪的杂散光分析

    0 引 言

    随着航天技术的迅速发展，出现了许多不同用途的空间光学系统， 如星载多光谱扫描仪、CCD 相机、详查相机以及弹载红外成像光学系统等，其根本任务是探测获取特定目标的图像信号或光谱函数。为了满足空间光学系统高性能的技术要求， 人们对杂散辐射问题的研究日益重视^[1-2]。

    高光谱成像仪光学系统采用大孔径静态干涉光谱成像技术(Large Aperture Static Imaging Spectrometer,LASIS)， 利用推扫成像方式获取目标的空间图像信息和干涉光谱信息，其能量利用率与普通相机接近，比现有的各种光谱成像仪能量利用率高两个数量级，可以很好地满足高空间分辨率的要求^[3]。 为了满足高光谱成像仪的高指标要求， 不仅要依靠设计性能优良的光学系统并进行精细装调， 而且还要在机械设计之初考虑杂散光的影响。 在高光谱成像仪工作时，视场外的太阳、地球等强光源发出的光都可能直接或间接地在像面形成杂光，产生假信号，造成光学系统像面对比度下降，甚至可能完全淹没目标 。 因此在设计时， 需要对光学系统的杂光抑制能力进行分析，并采取有效的控制措施。

    文中分析了高光谱成像仪光学系统的杂散光范围和视场外可能存在的杂散光源， 并根据杂光抑制和遮光罩的基本原则设计了主镜、 次镜的内遮光罩和外遮光罩；根据二次散射原则设计了挡光环。最后在Tracepro 软件中建立了系统模型进行仿真 ， 从而得到系统的评价指标点源透射比(PST)。

    1 高光谱成像仪光学系统

    高光谱成像仪光学系统的光路如图1 所示 。 系统焦距为864 mm ， 入瞳直径为 144 mm ， 视场角为1.2° ×0.34° ， 对角线方向上视场角为 1.26° ， 光谱范围为0.45～0.90 μm 。 全系统主要由前置光学系统 、横向剪切干涉仪、成像镜及探测器4 大部分组成 。光线由前置光学系统进入，到达一次像面，经准直镜进入横向剪切分束器， 再经成像镜成像在 CCD靶面上。

    2 杂散光分析

    2.1 系统杂光域的分析和遮光罩设计

    在空间环境中，太阳、地球、月亮等强光源是光学系统杂散光的主要来源，文中的高光谱成像仪光学系统安装在不被太阳直接照射的位置， 所以进入系统的杂散光主要来自地球的影响。由卫星位置可知，地球和系统光轴的最小夹角为 20°。

     遮光罩的作用是在不遮挡视场内光线的前 提下，尽可能阻挡视场外的杂光进入光学系统 ，几何光学是设计遮光罩的主要手段之一。 高光谱成像仪前置镜系统采用R-C 光学系统 ， 是整个光学系统消杂散光的关键。 为了防止外界杂散辐射源不经过主反射镜直接到达像面，形成一级杂光，不仅要设置外遮光罩，还要在主镜开孔和次镜上增加内遮光罩，但这样会使中心遮拦比增加，导致斜光束渐晕增大。 在设计遮光罩时，不仅要满足消除一级杂光，而且应尽量减小中心遮拦和轴外渐晕。 另外 ，即使光线不能直接到达像面， 通过镜筒内壁反射的杂散光也比一般透射系统强，因此在这类系统中，镜筒内壁的消杂散光问题也要特别重视。