摘要：成像光谱仪是一种“图谱合一”的光学遥感仪器。从光栅型成像光谱仪的使用要求出发，利用ZEMAX软件设计了一种光栅型成像光谱仪光学系统。其中，前置望远物镜采用反射式结构，传统的卡塞格林结构在主次镜均采用非球面时校正像差的能力依然有限，设计时采用改进后的卡塞格林结构对像差进行校正，最终设计的望远镜头传函在50lp/mm处达到0.5，场曲控制在0.078以内，且不存在畸变。针对光谱成像系统通常采用的基于平面光栅的Czerny-Turner结构由于像差校正能力有限、成像质量较差不能满足仪器的使用要求。采用基于凸面光栅的光谱成像系统，该系统结构紧凑、可实现宽波段内像差的同时校正。最终设计的光谱成像系统光谱分辨率＜5nm，MTF在50lp/mm时升至0.75。将前置望远物镜与光谱成像系统根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2，波长的80%的能量集中在φ6μm范围内，波长各视场在特征频率 50lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统具有结构简单、像差校正能力强、结构尺寸较小的优点。

关键词：光学系统设计；光栅型成像光谱仪；卡塞格林前置望远物镜；凸面光栅光谱成像

引言

成像光谱仪是20世纪80年代在多光谱遥感成像技术的基础上发展起来的一种能获取物体的二维空间信息和一维光谱信息的光学遥感仪器。它广泛应用在军事、海洋和地质勘探等领域。成像光谱仪按分光方式的不同可分为光栅色散型、棱镜色散型、滤光片型、干涉型和计算层析型。其中，光栅色散型成像光谱仪由于原理简洁、性能稳定、技术发展较早而得到了广泛的应用。并相对于棱镜色散型成像光谱仪具有色散均匀、光谱分辨率高、谱线弯曲小、色畸变小等优点，因此受到极大的关注。

光栅型成像光谱仪光学系统是由前置望远物镜及光谱成像系统构成。目前前置望远物镜结构大部分采用折反射式结构。最常用的结构形式卡塞格林系统的主要优点是：1)口径可以做到很大；2)不产生色差且工作波段范围宽；3)光学结构简单。但是传统的卡塞格林结构在主次镜均采用双曲面时也只能校正两种像差，如球差和彗差，即校正像差能力有限，从而不能得到满意的成像质量。针对上述问题，本文提出了一种设计方法可以得到较高像质。

采用传统的平面或凹面光栅分光的光谱成像系统均受像差校正的限制，数值孔径小，难以实现高的光谱和空间分辨率。本文采用平面光栅Czerny-Turner结构对光谱成像系统进行优化设计，发现难以满足仪器光谱分辨率及成像质量的要求。针对上述问题，为了达到仪器设计要求，提出了基于凸面光栅的设计方法。

1 光栅型成像光谱仪成像原理

图1.成像光谱仪成像原理图

2 系统光学参数的确定

成像光谱仪光学系统参数包括望远物镜的光学参数和光谱成像系统的光学参数。光谱成像系统是成像光谱仪光学系统的核心部分。因此，根据该系统的使用要求，首先根据相关理论确定光谱成像系统的光学参数，然后通过前置望远系统与光谱成像系统远心匹配原则确定的前置望远物镜的光学参数。最终确定的光学参数如表1所示。

3 成像光谱仪光学系统设计

光栅型成像光谱仪光学系统由前置望远物镜与光栅光谱成像系统构成。前置望远物镜是整个成像光谱仪光线的公共入口， 能够将远处目标的像成在狭缝处以实现推扫成像的目的。光栅型光谱成像系统由准直物镜、 光栅和成像物镜３ 部分组成。准直物镜使入射光栅的光束为平行光束， 此平行光束经过光栅色散后由成像物镜汇聚到像平面。因此， 光栅型成像光谱仪的设计由前置望远物镜设计和光谱成像系统设计两部分组成。

3.1前置望远物镜的设计

从系统的光学参数可以看出，该系统视场角较小，所以轴外像差对整个像质的影响不大。因此首先考虑用卡塞格林结构为初始结构进行设计。根据卡塞格林像差与遮拦比和放大率的关系，以及要满足主次镜曲率和主次镜间距均小于零的约束条件。经过反复几次计算，最终得到的初始结构参数见表2所示

图2.传统卡塞格林望远物镜光学系统图

图3.传统卡塞格林望远物镜像差曲线图

......

4 结论

本文设计了一种基于凸面光栅的成像光谱仪系统。针对前置望远物镜主次镜均为双曲面时像差矫正能力有限的问题，提出了球面反射镜与透镜像差校正组相结合的方法，最终设计的望远镜传递函数在50lp/mm处达到0.5，场曲控制在0.0708以内，且不存在畸变，即得到了满意的像质。针对光谱成像系统光谱分辨率低，传递函数较低，成像质量较差的问题，本文采用凸面光栅的光谱成像系统，光谱分辨率＜5nm，MTF在 50lp/mm时升至0.75，设计结果优于设计要求。将两部分根据匹配原则进行组合优化后光栅型成像光谱仪系统点列图RMS半径随波长的变化均小于0.2，波长的80%的能量集中在 φ6μm范围内，波长各视场在特征频率 50lp/mm处的光学传递函数均大于0.5。整个光学系统结构简单，像差校正能力强，结构尺寸较小。

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