摘 要 介绍了一种新型静态干涉成像光谱仪—LASⅡ形式的大孔径静态干涉成像光谱仪的原理、系统特性及要求,并对前置光学系统做了深入研究,光学系统的要求从全局考虑,实现普通玻璃复消色差,调制传递函数在30对线时达到0.4以上。仪器具有原理简单、成本低(不高于色散型成像光谱仪的研制成本)、体积超小等特点。
一、引言
从80年代开始,人们对航天遥感仪器的要求越来越高,在满足一定地元分辨率的条件下还要求同时测定地元光谱,以研究目标的物理特征。为了克服多光谱扫描仪光谱信息量太少,不能提供一定光谱范围内比较完整的光谱图的缺点,发展了成像光谱技术。
干涉成像光谱在原理上具有高光谱分辨率与高“能量通过力(throughput或etendué)”等优点。理论分析表明,在相同情况下,与典型色散型成像光谱仪相比,干涉成像光谱的能量通过力要高300倍左右,而光谱分辨率一般也高两个数量级以上。但是,由于一般的干涉成像光谱仪中都必需有一套精度要求很高的动镜系统,给研制带来了许多困难。为了克服这一问题,90年代以来,国际上出现了一种新型干涉成像光谱技术——无动镜干涉成像光谱技术。
我们设计研制了大孔径静态干涉成像光谱仪——LASⅡ形式,其能量通过力很高,因此光学系统体积、重量等均大幅度降低。但它对卫星飞行侧滚、偏航等比较敏感,对光谱的测量为准实时;同时,在大视场傅里叶变换光谱仪中,干涉图的调制度除了与光谱仪的视场角、光程差以及所使用的波长有关外,还对前置光学系统提出了额外的要求。
二、原理分析
图1是LASⅡ的光学原理图。可见,LASⅡ实际上是在一个普通摄影系统中加入横向剪切分束器,使最终像面上得到的不再是目标的直接像,而是目标的干涉图像,并且在飞行方向上,不同视场的目标单元,其干涉强度有不同的光程差。
考虑图1中横向剪切分束器的作用后,对横向剪切分束器之后的光学系统来说,等效光路如图:自像面1之后部分,像面1和准直镜均被分成虚像对,由图2可见,干涉强度的光程差为
如果收集镜采用傅里叶镜,上式精确成立。采用普通物镜,上式还要乘因子cosω2。
三、系统分析
由图1可见,光线由前置光学系统进入系统,到达一次像面,经准直镜进入横向剪切分束器,再经收集镜成像在CCD靶面上。前置光学系统类似于照相物镜,考虑到在CCD靶面上进行平面成像,要求能正确地反映物体在平面像上的形状;在景深方面,为了将立体感物体成像于平面内,在像差校正中须考虑像的模糊问题,像面边缘光通量及彩色平衡等因素,系统必须校正单色光的5种像差和两种色差。此外,整个光学系统应合理安排,使横向体积、重量减至最小,便于空间应用。
由图1可见,为了减小入射到准直镜上的光束口径,在一次像面处放置场镜,场镜采用单片正透镜,倒像系统,其所带入的正场曲由系统一并考虑。考虑到准直镜和收集镜实际是同系统逆用,当光阑位置由前组光学系统成像在横向剪切分束器中间时,两组光学系统相对于光阑成对称分布,垂轴像差互相抵消,简化系统设计。该仪器用于较宽的光谱范围(0.5～1μm),二级光谱则成为影响像质的主要因素,在选型时,应充分考虑二级光谱的影响。可以选用三片型进行前置光学系统设计。
四、前置光学系统设计
三片型物镜是典型分离三光组结构(见图3),由三片单透镜相隔一定空气间隔而组成,通常是把负透镜放在中间,孔径光阑在负透镜附近,使结构近乎对称,垂轴像差容易校正,但由前分析可知,考虑全局系统横向尺寸,孔径光阑位于第一面处,经场镜成像在横向剪切分束器的中间。由于破坏了三片型物镜本身的对称性,系统设计增加了难度。
三片型系统有八个变数,在满足焦距要求的同时,恰好能较正7种像差。系统属于较大相对孔径系统,肯定有较大的球差,并有孔径高级球差。采用变量分离法,先不考虑利用光焦度的合理分配消色差,此时球差较大,弯曲透镜和交换焦度校正球差,由于波段范围宽、系统孔径大,复杂化三片式结构能够满足设计要求。而消色差时,应有4个公式同时成立[1],即焦距公式,消位置色差公式,消倍率色差公式和满足像面平坦化的匹兹瓦条件。考虑系统中分光棱镜产生的负色差,系统应预留一定的正色差;正负透镜的分离使这种结构能够校正匹兹瓦场曲。但高级像差无法校正,只能靠选用高折射率玻璃将其减小。因此,这种结构具有较大的高级像散和轴外球差。由于该系统视场小,像散和轴外球差不会影响太大。此外,系统孔径较大,覆盖范围宽,要达到高的成像质量,必须校正二级光谱。这样,系统的像差方程由以下五个方程式组成:
式中Φ——系统的总光焦度;
φ——各组元的光焦度;
h——第一近轴光线在各组元上的入射高度;
hz——第二近轴光线在各组元上的入射高度;
J——系统的拉氏不变量;
μ——与介质材料的折射率有关,在0.65～0.7之间;
P——相对色散。
通过解联立方程组,即可获得系统初始外部参数。由结果可知,中间负透镜的光焦度过大,分离光焦度,减小高级像等的影响,结果如图4、图5。
五、结论
我们研制的大孔径静态干涉成像光谱仪——LASⅡ形式具有原理简单、成本低(不高于色散型成像光谱设计充分考虑体积、重量、空间应用的要求,利用普通玻璃实现了复消色差,调制传递函数在30对线时达到0.3以上。
参考文献
1 近藤文雄著.透镜设计技巧[M]西安:西安交通大学出版社.105～125
2 王之江.光学设计理论基础[M]北京:科学出版社.1965,107～294
收稿日期:1998-01-10; 收到修改稿日期:1998-02-19
本文作者：安葆青, 相里斌, 高瞻
