第32卷，第6期 2012年6月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.32,Na.6pp1708-1711
June,2012
基于曲面棱镜的宽视场推帚式高光谱成像仪设计
轰云峰1，2，相里斌1，周松"，黄
晏
1.中科学院光电研究院，北京100094 2.中国科学院研究生院，北京100049
摘要设计了一种覆盖短波红外谱段的宽视场推式高光谐成像系统，可用于空间遥感平台搭载获取高光谱数据立方体，分析地表物质组成及其理化特性。采用曲面按镜作为色胶元件，它集色和成像功能于一体，通过与Offner中继结构相结合，大大简化了光谱仪光学系统的设计。相比传统色散型光谱成像仪，其结构紧凌、体积小、重量轻，而且能够有效校正校镜色散带来的谱线弯曲和色畸变的间题。相比同类型的基于 Offner中继结构的光桶光谱成像仪，其能量利用率高。分析了曲面校镜的近轴光学理论和Offner中继结构
的成像特点，给出了光谱仪的设计指标和结果，并对其光谱成像质量进行了评价。关键词高光谱成像；曲面校镜；(ffner中继结构；短波红外光谱仪
中图分类号：TH744.1
引言
文献标识码：A
DOI; 10. 3964/j, issn. 10000593(2012)06-170804
工、检测和装调都带来不少困难。基于凸面光色散的 Offner成像光谱仪"则其有光本身的一些缺陷，包括衔射效率低、能量利用率低、高级次光谱重叠、自由光谱范围窄
高光诺成像是20世纪80年代兴起的一种图谱结合的操测手段，从提出伊始，便受到广泛关注。近些年来，在可覆盖的谱段范围、光谱分辨率、光机系统复杂性、信学比、光通量、调制度、图谱标定与数据处理等方面的研究1)，使这项技术越来越成熟，为在各个领域的应用提供了必要条件。高光谱成像技术最早被应用于航空航天遥感成像（，主要用途包括矿产与石油资源的操测与填图、水质及大气污染监测、精准农业与林业和城市调查等；到目前，它已逐步渗透到生物医学成像、艺术品防伪鉴定、食品安全监测、植物病虫害、疾病的控制与治疗等民用领域(47)。
光谐成像技术从原理上分，主要有色散型、干涉型、滤光片型，计算层析型、二元光学元件型和三维成像型等。其中，色散型成像光谱仪是最早提出并获得实用化的成像光谐仪器，它包括校镜色散和光色散两种最基本的结构形式。此类仪器具有原理简单、易于实现等优点，但是，传统的透射式校镜色散型成像光谱仪一般包含前置镜、准直镜和成像镜三组镜头，都需要在宽谱段范圈内校正空间维的像差（尤其需要复消色差)，这无形中提高了单个镜组设计要求和镜组之间的配合难度，增加了镜片数量，限制了成像质量和能量透过率，而反射式虽然能克服透射式带米的二级光谱围扰，但需要在准直镜和成像镜中引人高次非球面镜，给加
收稿日期：2011-12-22，修订日期：2012-03-17
基金项目：国家(863计划)基金项目(2009AA034701)资助
作者简介：强云峰，1988年生，中国科学院光电研究院项土薪究生万方数据
和凸面光栅加工技术不成熟等，限制了进一步发展。因而，采用自由光谱范围宽和光能透过率高的色散校镜作为分光元件，依然是宽谱段中等分辨率成像光谱仪的优选方案。
采用曲面校镜与()fner中继结构相结合的设计：不仅简化了光谱仪的光学系统，且能够大大减少传统梭镜色微带来的谱线弯曲（smile）和色畸变（frown）两大间题。通过 Monte-Carlo光线追迹的方法计算了光谱分辨率，并对成像质量进行了评价。光谱仪在设计时采用物方远心结构，在匹配只要采用像方远心的前置镜组，使能很好的满足光谱成像仅的性能指标。
曲面棱镜的近轴光学理论
曲面校镜是将传统色散型三校镜的两个通光表面做成曲面而获得的一种特殊校镜，它同时具有色散和成像的双重功能。图1是一束会象光线经过曲面楼镜的光路图。假定曲面梭镜的折射率为n，前后通光表面的切线夹角为。采用薄棱镜近似处理，在最小偏向角状态时，得到校镜的角色散率为
R
2sin(a/2)
dn
V1-n’sin (a/2)
(1)
从式(1)可以看出，曲面校镜的色散率取决于材料的折 e-mail; nyfwind@mail. ustc. edu, cn, nyfwindgmail. com