双谱段Offner光谱成像仪设计

光谱成像技术将成像技术和光谱技术结合在-起 ，是-种将光学 、光谱学、精密机械、电子技术以及计算机技术融于-体的新型遥感技术 。而近年来出现的高光谱成像技术则将光谱成像技术提升到-个新 的水平 ，由于其卓越的信息获取能力 ，十多年来得到了飞速的发展 .在卫星遥感、地质探测 、精准农业 、生产制造和军事侦察等领域具有广阔的应用前景。

近几年，该技术更受到深空探测领域科学家的青睐，在多次深空探测任务 中获得应用。

由于深空探测 目标距离地球遥远 ，为了降低发射成本和风险 。获得更多有价值的科学发现 ，对光谱仪的轻小型化和性能提出了更高的要求.尤其在光谱范围、光谱分辨率 、系统效率等方面。Ofner凸球面光栅光谱成像 系统是美 国喷气 动力 实验 室(JPL)的-项专利技术l，因其具有数值孔径大 、无谱线弯曲、色畸变小 、结构 紧凑 和加 工装 配简单等诸 多优点[2-51，不但成为高光谱成像系统 的-种重要光学系统形式 ，更成为深空探测领域的首选 ，在卡西尼土星探测器[61、罗塞塔号彗星探测器7]、金星快车[81、火星勘测轨道器f9l、黎明号小行星探测器 等多次深空探测任务中获得成功应用。

1 Offner光谱成像 系统Offner光谱成像 仪是在 1973年 Offner提 出的同心三反射镜 中继光学成像系统的基础上发展而来的。典型的 Offner成像系统是-个三反射式同心光学系统 。由-个大的凹面反射镜和-个小的凸面反射镜组成 ，且拥有共 同的球心 C，结构如图 l所示 。

通过合理的配置系统 ，可以形成-个无像差的共面图 l Offner同心三反射成像系统示意图Fig.1 Offner concentric three-mirror imaging system共轭物平面和像平面 ，垂直于光轴且过球心。从物点D发出的光线 。经过系统的三次反射 ，以 l：l的比例无失真形成像点 ，。当凹面镜的半径等于凸面镜半径的 2倍时，系统没有 3阶像差(球差 、彗差 、畸变)，只剩下 5阶以上的系统像差。此外 ，系统采用全反射式结构。不存在色差。

为提高空间分辨率和光谱分辨率，高光谱成像系统往往要旧能地减小谱线弯曲和色畸变。谱线弯曲是指狭缝以不同波长成像时 ，狭缝 的像不再是- 条平行于狭缝的直线 .而是-条曲线。谱线弯曲量通常用曲线两端与中心点的偏移量来表示 。由于不同的波长具有不同的放大率 ，当系统对狭缝上的离轴点成像时 ，不同波长的像点将不在垂直于狭缝 的- 条直线上，而是形成-条斜线 ，引起色畸变 。色畸变会导致物点不同波长的像点不在探测器的同-列像元上 .为后续数据处理带来了-定的困难。与传统准直光束 中使用光栅或棱镜的光谱成像系统相 比，Offner光谱成像 系统完全解决 了谱线弯曲的问题 ，色畸变也能达到可以忽略的程度 ，且具有平像惩体积小的优点l1]。

2 双谱段 Offner光谱成像系统设计该光谱成像仪光学系统要求设计工作波长范围为 0.25～5 Ixm，包括 紫外可见光 近红外谱段 0.25-1.05 m 和红外谱段 l～5 Ixm 两个通道 ，对成像性能、体积和质量等要求都非常高〖虑到透射系统难以实现如此宽的工作波长.采用反射式系统。在对 比了多种国内外高光谱成像仪光学系统后 ，考虑到目前光学设计与加工技术水平 ，给出了-个小型化、全反射式高光谱成像仪光学系统设计结果 ，如图 2所示。

Oflfnrela图 2光 学 系统设 计结果Fig.2 Optical system design resultter第 7期 周 峰等：双谱段 Offner光谱成像仪设计 1860该光学系统由 Shafer望远系统和-个凸面光栅光谱 成像系统组 成 ，其 中 Shafer望 远系统 由反转Burch望远镜和 Offner中继组成。反转 Burch望远镜由主镜、折转镜和次镜组成 ，用 于消除球差和彗差 。

Offner中继用于消除像散和平像场 ，系统入 瞳位于Offner中继 凸面镜上 。入射光经过 Shafer望远系统后 ，在狭缝处获得高品质图像 ，最后经过 Offner光谱仪将狭缝 的 0.25-l m和 l～5 txm两个谱段分别成像到 CCD和 IRFPA焦面上。其 中Offner中继在 Y方向延伸 ，Ofner光谱仪在 方 向延伸 ，两个谱段探测器在 Y方向延伸。

此光谱仪视城为 3.6。，焦距 95lnrl，角分辨率为 0.4mrad，光谱分辨率 2～10nm。IRFPA采用像元尺寸 38 m 的 HgCdTe红外探测器 ，CCD采用像元尺寸 19 m 的 Thomson-CSF TH7896，采用 2×2像元合并工作方式 ，以使两个谱段分辨率匹配。

光学系统结构参数如表 l所示 。该系统采用 的分光方法 即非视场分光仪棱镜分光，而是采用 同- 光栅分区分光 ，通过巧妙的设计 ，在保证整个谱段范围内衍射效率的同时 ，使系统大大简化 ，结构更加紧凑，为结构支撑和质量指标赢得更多空间。且除了折转反射镜外 ，所有反射面包括光栅均为球面 ，公差较松 .便于加工和装调。

表 1光学系统结构参数Tab.1 Optical system configuration parameters两个谱段不同波长处的 MTF如图 3和图 4所示 。设计结果均满足技术指标要求。两个谱段不同视场的弥散斑如图 5和图 6所示 ，其中紫外可见光近红外谱段各视场弥散斑均在-个像元之内.红外谱段有几个视场弥散斑超出-个像元 ，但能量 95%以上都在-个像元之内，设计结果均满足技术指标要求。

图 3紫外可见光近红外谱段 MTF(###0.7 Ixm)Fig.3 MTF of UV-V-NIR channel图4红外谱段 MTF(###3 I.Lm)Fig.4 MTF of IR channelOBJ：0，0。 OBJ：0o，0.4a OBJ：0，0.32园 囡IMA：l1.065，2.233 rain IMA：I1.066.2.890n1mOBJ：1.8o.0.32。

圈IMA：14.135，2.240mm IMA：14.136，2.776nllIl IIA：14.136，2.899nlnlIMA：13.108，2.236mm IM A：13.109，2.763 mn1 姒 A：13.109，2.894mill图5紫外可见光近红外谱段的弥散斑Fig.5 Spot diagram of UV-V-NIR channel坐 - ll -T- 1.LB --第 7期 周 峰 等 ：双谱 段 Offrier光 谱 成 像 仪 设 计 1862可见光谱段的阈值，提高两端紫外和近红外波长的信噪比，扩大系统动态范围。并通过镀不同的反射膜。使红外区域只反射红外谱段的入射光 ，紫外可见光近红外区域只反射紫外可见光近红外谱段的入射光。

其中 占紫外可见光近红外总面积的 0.55，刻槽深度 260nm， 占紫外可见光近红外总面积的 0.45，刻槽深度 390nm，紫外可见光近红外谱段 占光栅总面积的0.3，光栅密度 96lp/mm。设计结果如图 9所示。从设计结果可以看出，如果采用同种深度的刻槽 .难以避免出现低衍射效率甚至为零的情况。而通过合理设计 ，衍射效率可以在太阳辐射最强和 CCD光谱响应最高的谱段处获得较低的衍射效率.随着谱段向紫外和近红外两个方向延伸，衍射效率不断提高。

暑S匿U善鼍点图 9光栅 紫外 司见光 近红 外谱 段衍 射效 率Fig.9 Diffraction eficiency of grating in UV-V-NIR channelIR 占红外总面积的 0.7，刻槽深度 1 000nm，IR2占红外总面积 的 0.3，刻槽深度 600 nm，红外 占光栅总面积的 0.7，光栅密度 48 lp/mm。设计结果如图 l0所示 ，刻槽深度和面积比例同样根据探测器光谱 响应和 目标光谱辐射进行设计 .使系统 的动态范围得到扩大。

图 10光栅红外谱段衍射效率Fig.10 Diffraction eficiency of grating in IR channel4 结 论光谱成像仪光学系统的设计需要综合考虑性能、体积和质量等多种因素。文中所设计的光谱仪采用凸面光栅作为色散元件的 Offner光谱成像系统.并通过巧妙的设计.实现-个光栅对宽谱段 0.25～5Ixm范围内的两个谱段进行分光和衍射 .设计结果的MTF和弥散斑均优于技术指标要求 。该系统采用全反射式结构，增强了系统的空间环境适应性，与分视场分光法和分色片分光法相比，体积小，结构简单。并对光栅衍射效率进行了分析 ，结果表明，光栅衍射效率不仅满足技术指标要求，而且衍射效率曲线可以设计成与探测器量子效率曲线互补 ，扩大了整个系统的动态范围。