第34卷，第4期 2014年4月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
宽波段高分辨率Dyson成像光谱仪设计研究
严羚玮
大连交通大学理学院，辽宁大连116028
Vol. 34,No. 4 -ppl135-1139
April,2014
摘要主要对一种远心成像光谱仪系统，即Dyson成像光谱仪进行了设计研究。这种成像光谱仪结构简单紧凑，仅由一个半球透镜和一个凹面光栅组成。在Rowland圆与折射理论的基础上，分析了Dyson成像光谱仪在宽波段下可消除像散的重要条件，即光栅半径与半球透镜半径之比，并获得了具备极高光学性能的光学系统参数计算条件。为广使这种成像光谱仪更适宜于工程化应用，支在其基础之上设计和分析广探测器表面脱离半球透镜的方法。设计实例获得了数值孔径0.33，工作波段0.38～1.7um，狭缝长度15mm，像面表面成像斑均方根值半径小于2.5m的Ds0n成像光谱仪结构和改进后的像斑均方根值半径小于8 am的改进型Dyson成像光谱仪结构。该设计方法和设计结果合理可行，优化结构性能优越，并可用于工业及遥感等多个领域。
关键词成像光谱仪；Dyson；像散校正
中图分类号：0433.1
文献标识码：A
引言
DOI : 10. 3964 /j. issn. 1000-0593 (2014 )04-1135-05
仪在极宽波段上的高性能指标，低F/并数和大光学通量对于海洋水色观测等领域仍然具有极高的应用价值[5-8]。本文将主要讨论了改进形式的Dyson系统成像光谱仪，在其原有
成像光谱仪可以同时提供探测目标的成像信息和分立光谱信息。在广义上讲，成像光谱仪主要采用以下儿种方法在二维探测器上对三维数据（两维空间和一维光谱）进行获取：（1)分时采集：应用最为广泛，具体形式包括滤光片型，狭缝扫描型和傅里叶变换型：；（2)像面混合采集：在所应用的探测器表面上，使用不同涂层在不同的像素上进行光刻镀层：从而获得不同的光谱成像图：（3）入睡混合采集，使用多个采集通道对光谱带进行区分，其光谱采样由于口径的限制相对较宽：（4）计算层析采集：采用旋转楼镜，一般用于对运动点目标的探测。其中第一种类型的成像光谱仪在科研、工业和遥感应用上最为广泛
狭缝式成像光谱仪的主要性能指标是光谱分辨率、空间分辨率和狭缝长度方向对应的视场覆盖。可以说，三者相互制约，因而很难将三者同时做到很高的水平。其中像散是影响光谱仪光学性能指标的最主要的因素3。目前大多数光谱仪系统设计仅针对一个波长进行消除像散，而同心系统(即Offner光谱仪和Dyson光谱仪)能够对两个不同波长实现像散消除并在宽波段上获得很好的像质"}。目前，Offne 光谱仪已经开始在光谱探测上得到广泛应用，而Dyson光谱仪则由于其形式上的限制而相对应用较少，但是Dyson光谱
收稿日期：2013-09-17，修订日期：2013-12-08
理论上进行修正，从而获得改进型的Dys0n系统的宽波段成像优化条件，并根据其工程应用上的缺陷进行了相应的修正，设计实例表明，改进后的系统在宽波段上具有良好的性能，在工程化应用上也更具实际意义。
Dyson成像光谱系统 1
1.1系统改进理论分析
图1给出了Dyson的基本组成，包括狭缝，半球透镜，凹面光栅和像面。可以看到，其基本工作原理为：望远镜成像聚焦在狭缝上，狭缝紧贴在透镜上，其中心为半球透镜的曲率中心，经过狭缝的光在半球透镜中进行传播，通过球面折射出射，出射光线人射在凹面光栅上并被色散衍射，反射
Concavegrating
Hemispherical lens
Slit Detector
Fig.1 Diagram of Dyson system
基金项目：国家自然科学基金项目（61074029），辽宁省教育厅项目（L2013172)资助
作者简介：产羚玮，女，1979年生，大连交通大学理学院工程师
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