折/衍混合多光谱红外成像光谱仪离轴系统设计

　　0 引 言

　　近年来多光谱成像技术发展很快, 军用、民用和商用领域对该技术的需求越来越多。多光谱成像技术是一种将光学、光谱学、精密机械、电子技术及计算机技术融于一体的新型成像技术。多光谱成像技术的主要特征是光谱带宽窄, 利用该技术可对目标进行详细深入了解, 以便进行正确的分析、判断和决策[1,2]。

　　欧美等国先后投入了大量人力和物力对成像光谱仪进行研究, 已发展了多种色散型、计算层析型和干涉傅里叶变换类型的多光谱成像技术, 并在实际系统中得到应用[3,4]。1995 年 4 月美国光量子中心罗姆实验室的 Lyons[5]在国际光学工程学会上, 提出一种新颖结构, 利用二元光学透镜独特的色散特性设计出用于可见或红外光谱范围的成像光谱仪, 它能够在波长相邻、连续采样的窄带光谱波段上获得数十至数百个通道光谱图像, 利用这种高光谱分辨率的多光谱图像数据, 可以根据地球表面众多物体的光谱特征精确地识别目标。另外此光谱仪光学系统简单、体积小、质量轻、坚固耐用、价格低廉, 便于实现小型化和轻量化。但由于二元光学透镜既是分光元件又是成像元件, 其焦距随波长的变化改变了系统的 F 数, 因此改变了系统的放大率, 这将引起光谱图像的像元配准误差, 探测精度, 甚至混淆被探测目标。并且此光谱仪光能透过率低, 集光能力差。

　　本文将离轴三反系统与光学变焦系统相结合, 从而使系统的放大率保持恒定, 并提高了系统的集光能力。设计了一个应用实例, 结果表明, 这样的光学系统不仅结构简单, 具有 100%的冷光阑效应, 而且具有优良多光谱成像能力和光学性能。

　　1 设计思想

　　在二元光学多光谱成像仪中, 二元光学透镜既是分光元件又是成像元件[6～8], 二元光学透镜的焦距随波长变化改变了系统的 F 数, 因此改变了系统的放大率, 即系统放大率是波长的函数, 这将引起光谱图像的像元配准误差, 得到并不精确的相对光谱信号强度。采用具有变焦组元的二元光学多光谱成像系统可补偿这一缺陷[9,10], 如图 1 所示。该系统可看作由两组透镜构成的变焦系统, 其中二元光学元件 K1作为固定组, 第二透镜 K2与第三透镜 K3分别为变焦正透镜和补偿负透镜, 其物像间距离为 T23, 组合放大率为M23, 焦距为 F23, δ和 δ′分别为第二透镜到物方主平面的距离和像方主平面到第三透镜的距离, 第一透镜到物方主平面的距离为 D1, 物方主平面与像方主平面的间隔为 Δ。变焦系统总的焦距为 F, 物距和像距分别为 SH和 SH′。

　　对于物在无穷远的红外变焦系统, 由几何光学理论可知 K2与 K3的组合部分物像间距离为: