编码孔径成像光谱仪光学系统设计

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1、物理学报ActaPhys．Sin．Vo1．63，No．21(2014)210702编码孑L径成像光谱仪光学系统设计术裴琳琳吕群波十王建威刘扬阳(中国科学院光电研究院，北京100094)(2014年5月19日收到；2014年6月23日收到修改稿)本文设计了一种以双Amici棱镜为分光元件的成像光谱系统，该系统主要包括前置望远物镜、编码板、双Amici棱镜、准直镜和成像镜．此类光学系统可以获得很高的衍射效率，相比于狭缝结构的成像光谱系统，该光谱仪为两维空间扩展的视场，无疑增加了设计难度．后期的数据反演算法对一次像面编码板的成像效果过于依

2、赖，基于此，对光学系统的像差校正提出了更高的要求．本文设计、分析了基于双Amici棱镜的成像光谱仪的原理及特点，设计了一套完整的成像光谱系统．前置望远物镜的设计为像方远心，MTF在39线对处，达到0．8，成像质量良好．创新性的将前置望远物镜倒置用做准直系统．全系统各个波长在39线对处的MTF值均在0．65以上．对室外目标景物进行推扫成像，从获得的成像数据判断，本文设计的编码孔径成像光谱仪原理可行，衍射效率高，全视场成像质量良好，全谱段光谱数据可信．关键词：成像光谱仪，光学设计，双Amici棱镜PACS：07．60．Rd，42．15．

3、Eq，42．79．BhDOI：10．7498／aps．63．210702本文针对编码孔径成像光谱仪的特性，采用双1引言Amici棱镜作为色散原件，通过对光学系统的优化，设计了一套完整的成像光谱仪系统，并进行了像质成像光谱仪是20世纪80年代发展起来的，因评价．通过对研制仪器的推扫实验，验证成像光谱其可以同时获得目标的二维空间信息和一维光谱仪获取图谱质量良好．信息，即数据立方体，故在地质分析、地面测绘、矿产勘探、医疗器械、军事监测、自然灾害预警等方面2编码孔径成像光谱仪有着很重要的应用【1J．成像光谱仪有多种分类方式，分光元件是光谱成

4、像仪的核心部件，按照分光本文设计的系统是一种色散型的成像光谱仪，原理可以分为光栅色散型、棱镜色散型、滤光片型、该系统由六部分组成：前置物镜、编码板、准直镜、干涉型和计算层析型．不同分光原理的成像光谱仪色散棱镜、成像镜和CCD探测器[3】．光学原理：目有不同的优势，并在特定的领域发挥重要作用[2]_标通过前置物镜成像在一次像面，编码板正处于一其中，棱镜色散和光栅色散型成像光谱仪的原理简次像面处，再通过准直镜变为平行光，进入色散棱单，性能稳定，目前应用最广泛．最早的棱镜色散镜色散，最后通过成像镜将编码并色散开的光线成采用单棱镜色散的方式

5、，由于材料本身的性质，使像于探测器靶面，如图1所示．得光谱分辨率存在非线性问题；空间方向的不同视编码板位于系统的一次像面处，该系统的准直场角对应的空间入射角不同，带来谱线弯曲；不同镜与成像镜结构完全相同，即CCD对编码板1：1成谱段的角放大率不同，引起色畸变．为了改善图谱像，编码板的尺寸大小由选定的CCD探测器的接质量出现了复合棱镜，如双Amici结构，可以规避受面尺寸确定．探测器像面中的每一像元，为不同单棱镜色散存在的问题．空间位置点不同波段信息的叠加结果．国家高技术研究发展计划(863计划)(批准号：2012AA0055)资助的

6、课题．t通讯作者．E—mail：lvqunbo@aoe．ac．an@2014中国物理学会ChinesePhysicalSocietyhttp：／／wulixb．咖hy．ac．cn210702—1，．物理学报ActaPhys．Sin。Vo1．63，No．21(2014)210702前置望远物镜准直镜成像镜图1(网刊彩色)编码孔径成像光谱仪系统计算确定棱镜的材料、倾角参数【5]3成像光谱仪光学系统设计3．3前置望远物镜的设计3．1系统设计指标该成像光谱仪系统的成像原理是光线经过前根据实验室已有探测器，选用索尼GRAS—置物镜，经过编码板

7、编码之后通过准直镜准直，再I4S3M／C，像元尺寸为6．45pm×6．45pm，像元通过棱镜色散开，最后通过成像镜成像在探测器数为1384×1036，而光学系统中一次像面位置的编上．系统的关键是通过准直镜之后能够使光线尽量码板是512×512码元，故采用双像元合并的方法，准直的通过棱镜，故本系统采用像方远心的前置望即2×2的像元对应一个码元，换算即得等效像元尺远物镜结构]，且准直镜为前置望远物镜的倒置，寸为12．9um×12．9pm，有效像元数为692×518．波段范围450—900nm，光谱分辨率为5rim，完全对称的结构能够自动

8、校正彗差、畸变和垂轴色则光谱通道数为90．系统要求瞬时视场为0．258差[8]．成像镜设计参数：焦距．厂=50mm，视场角mrad，故计算得到物镜焦距为50mm，编码板尺为2w=10．6。，f／#=5．寸为6．6mmX6．6mm，而双