光 子 学 报
ACTAPHOTONICASINICAVol.39No.7July2010
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文章编号:1004-4213(2010)07-1334-6
棱镜分光光谱仪的光学系统设计与光谱特性计算
王欣,丁学专,杨波,刘银年,王建宇
(中国科学院上海技术物理研究所,上海200083)
*
摘 要:设计了离轴全球面成像光谱仪和离轴校正透镜棱镜分光成像光谱仪两种光学系统.在离轴全球面成像光谱仪的基础上,提出了改进型离轴校正透镜光谱仪,仅采用一个色散棱镜,避免了大口径同心透镜;有效校正了大视场像差,色散非线性修正效果显著.通过调节离轴角和光谱仪的焦距控制了畸变,补偿了与波长相关的狭缝弯曲,减小了残余像差,并降低了整个光谱仪工程实施的
难度.从工程合理性、加工可实现性和光学性能等方面比较了两个系统的特点,推导和给出了光谱分辨率和狭缝弯曲的计算结果.从设计结果看,改进型离轴校正透镜光谱仪的传递函数最小值大于75%,而离轴全球面成像光谱仪的最小值只大于60%.从加工难易程度看,离轴全球面成像光谱仪采用一个接近5200mm的石英透镜,其透射材料远不如改进型离轴校正透镜光谱仪透镜材料的均匀性和面形准确度高,而且大口径透镜大大增加了制备难度和成本.从工程布局看,改进型离轴校正透镜光谱仪充分考虑了与机械结构的匹配,狭缝与第一面反射镜的轴向距离较合理.从光谱特性看,两个光学系统的光谱分辨率结果基本接近,离轴全球面成像光谱仪光谱弯曲结果略好于离轴校正透镜结构.因此,综合比较得出离轴校正透镜光谱仪是最佳的选择方案,该系统可应用在短波红外波段的光谱成像的遥感探测.
关键词:棱镜分光光谱仪;离轴校正透镜;色散非线性;狭缝弯曲中图分类号:TN21 文献标识码:A
doi:10.3788/gzxb20103907.1334
Mission,PRISMA)等.
自从超光谱技术出现以来,各种不同的分光技术都在超光谱成像仪中得到了应用,其中棱镜分光系统是唯一光谱无叠级的系统,且结构简单,具有大的自由光谱范围;对整个光谱,通光量不变并且具有很高的透过率.因此用镜面数少的望远镜和分光效率高的棱镜光谱仪组成的光学结构可提高系统总透过率,以达到提高系统辐射信号收集能力的目的.
国外以棱镜作为分光形式的有效载荷有欧空局CHRIS、意大利航天局PRISMA、机载成像光谱仪APEX等.CHRIS采用曲面棱镜校正像差,结合三反中继成像系统,获得了较好的效果.PRISMA的光学系统设计采用透射棱镜放置于平行光路上来进行分光,可获得更高的效率和更小的偏振灵敏度.APEX光谱仪中的棱镜置于平行光路中,色散后的光路里采用透镜组来校正像差,为了分割开短波通道和可见近红外通道第一个色散棱镜的第二面镀有分色膜系,对于可见近红外波段有更高的反射率.在设计整个成像光谱仪中,光学系统设计决定仪器的最后性能[2].目前比较典型的是离轴全球面成像光谱仪(Off-axisImagingSpectrometer,OASIS)和离轴非球面准直会聚光谱仪[3].本文设计[1]
0 引言
超光谱成像技术是在20世纪80年代前后的成像光谱技术基础上发展起来的.经过十多年的发展,成像光谱技术在机载平台获得了成功的应用.先后有美国国家航空和宇宙航行局的机载可见/红外成像光谱仪(AirborneVisible/InfraredImagingSpectrometer,AVIRIS),欧洲的机载成像光谱仪(AirbornePRISMEXPERIMENT,APEX),中国的实用型模块化成像光谱仪(OperationalModularImagingSpectrometer,OMIS)以及推帚式超光谱成像仪(PushbroomHyperspectralImaging,PHI)等.在机载仪器成功研制并推广应用的基础上,世界各航天大国纷纷开展超光谱成像技术的空间应用,主要有欧洲的小型高分辨率成像光谱仪(CompactHighResolutionImagingSpectrometer,CHRIS)、澳大利亚的资源环境成像成像光谱仪(AustraliaResourceEnvironmentImagingSpectrometer,AREIS)和意大利的超光谱先驱应用卫星(Hyperspectral
*
PrecursorandApplication
国家高技术研究发展计划项目资助
Tel:0216542085022605Email:wangxin@mail.sitp.ac.cn收稿日期:2009-09-16修回日期:2010-03-227期王欣,等:棱镜分光光谱仪的光学系统设计与光谱特性计算1335
的离轴校正透镜光谱仪光学系统由准直光学系统、色散元件、成像光学系统三个部分组成.相对其它结构[4],离轴校正透镜的采用,避免了大口径同心透镜,仅采用一个色散棱镜.该结构有效校正了大视场像差,色散非线性修正效果显著,通过调节离轴角和光谱仪的焦距控制了畸变,补偿了与波长相关的狭缝弯曲,减小了残余像差,并降低了整个光谱仪工程实施的难度.
5j;光学效率大于0.45.
1.1 OASIS结构
离轴全球面成像光谱仪OASIS是采用折反射式光学系统的成像光谱仪[5],其中采用一个大的同心镜穿插在整个光路中,光学系统采用利特罗结构、相对光阑表面是完全对称的.由于光谱仪的狭缝长度较大,全球面反射镜设计结果像质不能符合要求,因此基于OASIS形式将两个球面反射镜改成非球面反射镜.为了避免产生色差,透镜的折射率需要很低,可补偿反射镜的几何象差(球差、彗差和象散).设计光路包括两个离轴反射镜、一个同心透镜和一个色散棱镜.设计光路和结果见图1和图2,设计参量见表1.
1 两种棱镜分光光谱仪的光学设计
成像光谱仪由望远系统与光谱仪组成.扫描反射镜使接收地面辐射转向入射到望远镜,获得地面景物图像,通过入射狭缝成为限定的条式视场入射到光谱仪,用面阵探测器接收入射狭缝的被色散的光谱图像.探测器阵列的行输出空间信息,而列输出光谱信息.
光谱仪的性能指标要求是光谱范围1~2.5Lm;物方数值孔径0.2;色散范围2.1mm;平均光谱分辨率18.92nm;光谱弯曲小于30Lm;变焦比0.8;入射狭缝尺寸(20@0.0375)mm;畸变小于
图1 OASIS光路
Fig.1 OpticalstructureofOASIS
图2 OASIS光学成像结果
Fig.2 ImagingresultsofOASIS
1336
表1 OASIS光谱仪系统的结构参量
Table1 ParametersofOASIS
ElementSlitConcenterLensCollimationMirrorDispersionPrismFocusMirrorFocalPlane
Curvature/mm
-129.393777.286-657.36-Thickness/
mm
3020332.85300.648183.680.94
Diameter/mm19@0.036<150170@9082@7282@72-
光 子 学 报39卷
1.2 离轴校正透镜准直会聚结构
MaterialMetalSilicaZerodurSilicaZerodur-图3 离轴校正透镜光谱仪光学系统结构
Fig.3 Opticallayoutofspectrometerwithoff-axiscorrectionlens
此结构在焦面前采用了一个离轴校正透镜,保留了OASIS的校正透镜,通过调节离轴量,在一定的范围内调节光谱仪的畸变;避免了采用大口径透镜同时穿插在准直光束和色散光束中.光路、像质见图3和图4,设计参量见表2.
图4 离轴校正透镜光谱仪的光学成像结果Fig.4 Imagingresultsofspectrometerwithoff-axislens
两个非球面反射镜分别为二次双曲面、椭球面,它们的焦距分配需要充分考虑总系统的焦距要求,并分别将光束准直和会聚,其作用既校正了轴外像
差,又减小了光谱弯曲和光谱非线性.光谱仪根据调节畸变校正狭缝弯曲原理来进行设计.虽然用两个反射镜消象散的设计方案会产生畸变,但通过适当
地调节畸变分布,在像面上可得到直线图像.控制畸变的主要参量是离轴角和准直镜、成像镜的焦距.通过调节光谱仪畸变可部分地补偿与波长相关的狭缝弯曲.在给定入射狭缝尺寸的情况下,在色散后光学系统中通过增加准直仪或成像器的焦距,减少色散角和空间视场,使残余像差达到足够小.
7期王欣,等:棱镜分光光谱仪的光学系统设计与光谱特性计算1337
表2 离轴校正透镜光谱仪系统的结构参量Table2 Parametersofspectrometerwithoff-axislensElementSlit
Curvature/
mm
-Thickness/
mm
263191.38223.57249.625.646.32
Diameter/mm19@0.03880@6080@65110@80<70-MaterialMetalZerodurSilicaZerodurSilica-
所以
sini1
)-i1(2)n
式中i1和A均为常量,偏向角D为n的函数,也是 D=arcsinn@sin(2@A-arcsin
波长的函数.线色散率dl/dK表示两条光谱线在光谱成像焦面上的距离,与角色散率dD/dK和物镜的焦距f呈线性关系.
经过计算,OASIS的平均光谱分辨率为18.46nm、离轴校正透镜光谱仪为18.65nm.两个结果见图6和图7.
Collimation
600.5436
MirrorDispersionPrismFocusMirrorOff-axislensFocalPlane
-510.6609240.4-
2 棱镜分光光谱仪光学系统的色散非
线性和狭缝弯曲计算结果
2.1 色散非线性
棱镜材料的折射率n随入射光波长而变化,不同波长的光线以相同入射角通过同一棱镜时会得到不同的偏转角,即产生色散.棱镜分光光谱仪就是利用棱镜的色散原理获得材料的光谱[6].棱镜的色散能力以角色散率dD/dK表示.K为入射光波长,D为偏向角.棱镜的光谱色散具有大的非线性,导致光谱采样间隔不一致,使仪器的辐射灵敏度受影响较大[7].
设波长为K的光波以i1角射入棱镜的工作面AB,经过折射和工作面CD反射后,以i2角射出.令
cic1,i2,i3分别为光线在AB边的折射角,在CD边反
c
图6 OASIS光谱仪的色散非线性设计结果
Fig.6 NonlinearspectraldispersionresolutionofOASIS
射角和在AB边的入射角;令A为棱镜的折射顶角,D为光线的偏向角.假设棱镜是用折射率为n的材料制成的.棱镜色散各参量见图5.
图7 离轴校正透镜光谱仪的色散非线性设计结果
Fig.7 Nonlinearspectraldispersionresolutionofspectrometer
withof-faxislens
2.2 狭缝弯曲
用棱镜作色散元件共有的特点是会产生狭缝图像弯曲,这是由于在狭缝的末端准直光束入射角倾斜而引起的.弯曲与波长有关.为了满足像元配准的要求,需要消除与波长相关性或至少使它的影响变得最小.对狭缝弯曲的校正可通过地面信号处理来标定[8].
图5 光谱非线性色散函数参量定义示意图
Fig.5 Parameterdenotationofnonlinearspectraldispersion
设棱镜的色散顶角为A,狭缝上端点射出光线的法线与光轴的夹角为i1B,通过棱镜第一面的折射角为ic1B;N为假定折射率,与狭缝轴外光线与仪器光轴的夹角有关.推导可知弯曲的形状类似一个抛物线,它顶点的曲率半径为
R=[(n2-1)/2n]{sin(2A)/
cosi1Bcos{arcsin[Nsin(2A-i1B)]}}
c
c
由光路的入射角i1,可以计算偏向角Dsini1=n@sinic1i3=2@A-i1sinic3=n@sini3D=i3-i1c
c
(1)
(3)1338光 子 学 报39卷
可以看出,折射率愈大,则棱镜谱线的曲率半径愈小,因此波长愈短则弯曲得愈厉害.棱镜谱线的曲率与棱镜的入射角的余切成反比,入射角越大,R也愈小,则狭缝越长弯曲愈厉害.所以选择棱镜材料时需选用折射率小的.两种光谱仪不同波长的光谱弯曲量见图8和图9.可以看出OASIS和离轴校正光谱仪最大狭缝高所对应的各波长的弯曲矢高接近为24.6Lm和28.35Lm的常量,其光谱弯曲矢高随波长的变化量控制在2Lm之内.
最小值大于75%,而前者的最小值只大于60%.从加工难易程度看,前者采用一个接近5200mm的石英透镜,如此大的透射材料远不如后者小透镜材料的均匀性和面形准确度高,而且大口径透镜大大增加了制备难度和成本.从工程布局看,狭缝与第一面反射镜的轴向距离前者非常紧张,而后者则充分考虑了与机械结构的匹配.从光谱特性看,两者的光谱分辨率结果基本接近,前者光谱弯曲结果略好于离轴校正透镜结构.因此,综合比较得出离轴校正透镜光谱仪是最佳的选择方案,该系统可应用在1~2.5Lm短波红外波段的光谱成像的遥感探测.
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图8 OASIS光谱仪的狭缝弯曲设计结果
Fig.8 SlitcurveofOASIS
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图9 离轴校正透镜光谱仪的光谱弯曲设计结果
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3 结论
棱镜分光光谱仪因其具有高的辐射效率,且无
光谱叠级问题,而广泛应用到高信噪比的超光谱成像技术中.本文设计了两种棱镜分光成像光谱仪的光学系统并对OASIS结构和离轴校正透镜光谱仪进行比较:从设计结果看,后者优于前者,后者MTF
7期王欣,等:棱镜分光光谱仪的光学系统设计与光谱特性计算1339
OpticalDesignandSpectralCalculationofPrismSpectrometer
WANGXin,DINGXue-zhuan,YANGBo,LIUYin-nian,WANGJian-yu
(ShanghaiInstituteofTechnical&Physics,ChineseAcademyofSciences,Shanghai200083,China)
Abstract:Theopticalconfigurationsofoff-axissphericallensandoff-axiscorrectinglensimaging
spectrometeraredesigned.Basedontheopticalsystemofoff-axissphericallensimagingspectrometer,thespectrometerwithoff-axislensisdesigned.Thissystemadoptsanoff-axislensinordertoadjustlargefieldaberrationandavoidslargediameterconcentriclens.Oneprismcorrectsnonlineardispersionandmeetstherequestofspectralresolution.Distortioniscontrolledthroughadjustingoff-axisangleandmirrorscfocus,whichcompensatespectralcurveanddecreaseresidualaberration.Itiseasytoreduceproductiondifficulty.Thecharacteristicoftwosystemsisdiscussedfromtheaspectsofengineeringlayout,productiondifficultyandimagequality.Andtheresultofspectralnonlinearandslitcurveisshown.Theminimummodulatedtransferofoff-axissphericallenssystemis75percentbetterthanthevalue60percentofoff-axiscorrectinglens.Thefrontsystemusesasilicalenswhichdiameterislargerthan200mm.Thematerialuniformityandsurfaceprecisionofthelattersystemisfarbetterthanthefrontsystem,andtheproductiondifficultyisdecreased.Thelattersystemconsidersthematchingwithmechanicalstructure,anditismorefeasibleforthedistancebetweenslitandthefirstmirroroflattersystem.Thespectralresolutionoffrontsystemisclosetothelatter,andtheslitcurveofthefrontsystemisslightlybetterthanthelattersystem.Thecomparisonshowsthatthelatterisoptimalopticallayout,anditcanbeappliedtoremotesensingworkingatshortwavelength.Keywords:Imagingspectrometerwithdispersionprism;Off-axiscorrectionlens;Spectralnonlinear;Slitcurve
WANGXin wasbornin1977.SheobtainedherPh.D.degreein2010andherresearchinterestsfocusonthedesignofinfraredopticalsysteminspace.
http://www.grain17.com/yq_class/yq_267_1.html
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