Offner型成像光谱仪分光系统的结构和原理

摘要：应用以像散面为参考波面的平面对称光学系统波像差理论，分析Offner型成像光谱仪分光系统的像散特性，确定其初始结构。优化设计适用于短波红外波段（1.0~2.5μm）的此型成像光谱仪分光系统，设计得到的系统具有入射狭缝长（30mm）、相对孔径大（F/#2.5）、结构紧凑、物像方远心等优点，其狭缝光谱像的弯曲畸变和色畸变均小于百分之五个像元，成像质量接近衍射极限。

0 引言

Offner型分光系统属同心光学系统，具有固有像差小、相对孔径大、谱线弯曲和色畸变小、成像质量高、结构紧凑等优点，适用作高分辨率成像光谱仪的分光系统，并已成功用于土星探测器Cassini、地球观测卫星EO-1和火星勘测卫星（MRO）等光谱成像遥感器。该系统首先由Thevenon提出，随后Fisher，Chrisp和Mouroulis等人给出了各种此型分光系统的设计，使其在相关领域得到发展。但对于该类系统的设计多基于光线追迹法和单块光栅的像差理论，而对于整个系统像差理论研究的报导并不多见。

典型的Offner型成像光谱仪分光系统由两块凹面反射镜和一块凸面衍射光栅组成，是一种平面对称系统，很难用轴对称光学系统的初级像差理论全面地描述和分析其成像特性。Chrisp提出了基于像散参考波面的平面对称系统波像差理论，可用来分析和研究各种初级像差与结构参数之间的关系，用于平面对称光学系统的初始结构确定和设计。

下文首先介绍 Offner 型成像光谱仪分光系统的结构和原理; 然后，通过简要介绍平面对称系统的波像差理论和分析其像散特性，给出确定初始结构的方法; 最后，根据要求的技术指标，给出设计结果、像质评价和结论。

1 结构与原理

此分光系统源于Offner反射中继系统，用凸面光栅代替原来的凸面反射镜，并将反射镜分成两块，如图1所示，是一种改进型系统。物镜 L 和分光系统（ 图中虚线框） 一起构成成像光谱仪，此前置物镜将目标物成像于分光系统的入射狭缝S上。分光系统主要包含凹面反射镜M1和M3、凸面衍射光栅G2、孔径光阑（设在光栅G2上） 、入射狭缝 S 和像平面 F。入射狭缝和光栅栅槽的取向垂直于纸面。

经狭缝进入分光系统的光，入射到凹面反射镜M1后，反射至凸面光栅 G2，经凸面光栅衍射色散后到反射镜M3，反射镜M3将不同波长的狭缝光谱像聚焦在像平面F处。在像面处放置探测器，可接收到狭缝的光谱像，这些光谱像沿光栅的色散方向均匀排列。若让成像光谱仪沿垂直于狭缝的方向作推扫，则可获得目标物的两维空间信息和一维光谱信息。

图1. Offner 型光谱成像仪结构原理图

2 波像差理论

衍射光栅的引入致使分光系统不再轴对称，而是一种平面对称系统，入射狭缝中心、光栅顶点和反射镜M1、M3 的顶点位于对称平面内。根据文献，通过引入像散参考波面，在近基（ parabase） 范围内（ 图 2 中AOB 为光学表面的基线（ base ray） ，位于对称平面内） ，可将波像差 W 展开表示为

。..。..

5 结 论

以上采用平面对称系统的波像差理论，给出了 Offner 型成像光谱仪分光系统子午和弧矢离焦像差系数与结构参数的关系式，在此基础上分析了像散特性，给出对一个波长消像散的条件。利用此消像散条件，给出系统初始结构的确定过程。设计得到了工作于短波红外的大视场成像光谱仪分光系统，它具有物像方远心、结构紧凑、谱线弯曲和色畸变小等特点，成像质量接近衍射极限。该系统的三个元件均为球面元件，且口径不大，加工相对较为容易。其中主镜 M1 的倾斜和偏心公差对像质影响较大，实际装调过程中可通过三镜 M3 的倾斜和偏心来补偿，系统的加工、装调精度要求容易实现。

鉴于篇幅，本文仅为节选［苏州大学学报（自然科学版）第27卷］

审核编辑 ：李倩