第33卷，第8期 2013年8月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol. 33,No. 8,pp2286-2289
August，2013
改进型高分辨率宽波段Schwarzschild成像光谱仪研究
刘建芳
吉林大学，吉林长春130031
摘要针对Schwarzschild结构在成像光谱仪系统中的应用进行了研究。以Schwarzschild结构的像分析为基础，获得了该结构的完善消像差条件；之后，对该结构进行了改进，由准直镜和凸面镜，以及凸面镜和聚焦镜分别组成了两个消像散的Schwarzschild结构，从而构成了Schwarzschild成像光谱系统。并给出了这种系统的各个光学参数的计算条件。以一工作波段为340～500nm的紫外-可见成像光谐系统为例进行了设计，从而对设计理论进行了验证。根据优化理论计算了初始结构最优解并进行光线追迹模拟，成功设计了数值孔径0.125，全视场全波段调制传递函数值在奈奎斯特频率（20lp·mm-1）下大于0.58的高分辨率成像光谱仪光学系统。这种结构的不同变形分别可以作为Czemy-Turner系统，Ebert-Fastie系统或者Offner系
统应用，设计结果也表明这种改进的系统设计理论适用于小型宽波段高分辨率成像光谱仪。关键词Schwarzschild；成像光谱仪；像散矫正
中图分类号：0433.1
引言
文献标识码：A
DOl:10.3964/j.issn.1000-0593(2013)08-2286-04
使得这种系统能适用于绝大多数成像光谱仪应用的场合[67] 限制Offner系统应用的唯一局限性在于凸面光标的适用性在很多特殊场合和要求下，比如，较为特殊的刻线数，或是
成像光谱仪是目前得到广泛应用的一种光谱仪器形式，不同于其他探测仪器的地方在于，它不仅能够对所要探测的特征光谱进行精细的光谱区分，同时还能对探测目标进行连续的多光谱成像，获得其宏观特征，
成像光谱仪光学系统主要校正的像差是像散(2)，这是由于获缝长度和宽度方向的不同造成的像散扩散不同导致的，目前在可用于成像光谱仪的反射式光学系统中，Ebert-Fastie 结构，Czerny-Turmer结构，Offner结构等由于优越的像差校正能力而经常得到应用。Czerny-Turner结构和Ebert-Fastie 结构均使用了平面光栅作为色散元件，而Offner结构则使用了凸面光栅作为色散元件。其中Czerny-Turmer结构是 Ebert-Fastie结构的改进型，即将Ebert-Fastie结构中准直镜和聚焦镜由同一片镜拆成了两片镜，避免了杂光和二次色散的问题。目前很多相关研究均集中于Czerny-Turner结构和 Offner结构，并获得了很多成果。针对Czerny-Turner结构，就有很多种方法可以获得良好的成像质量和光谱分辨能力，比如调整准直镜位置，使光栅位于发散光之中；将球面案焦镜变为超环面镜；对准直镜和聚焦镜采用自由曲面；或是使用柱面镜代替球面聚焦镜等等[35]。对于Offner系统，由于其自身不需要使用复杂的光学元件和卓越的像差校正能力，
收稿日期：2013-02-04，修订日期：2013-04-28 基金项目：国家自然科学基金项目(51075181)资助
作者简介：刘建芳，1976年生，吉林大学副教授万方数据
较为待殊的波段（如远紫外波段)，相应的凸面光都比较难于加工。
实际上成像光谱系统在不考虑色散元件的情况下，均可视为两镜系统。在诸多的两镜系统中，Schwarzschild结构只使用球面光学元件，又由于其使用了凸面镜，因此视场可以做得比较大，同时这种系统相对消像差的能力较强[$-10]。本工作从Schwarzschild结构人手，对其进行改进使之成为 Schwarzschild成像光谱系统，并根据像差理论分析获得了良好的消除两个方向上的像差的条件。以340～500nm波段的成像光谱仪系统进行举例设计，该系统的空间分辨率达到了很高的指标，同时这种结构还避免了凸面光栅特殊场合难于制作的问题，因此具有很好的工程应用性，适用于各个波段的逐感用成像光谱仪设计和应用。
Schwarzschild光学系统结构像散分析
在对Schwarzschild的光谱成像结构进行研究改进前，需要对Schwarzschild成像系统进行详细分析，并以此为基础对像散产生原因进行分析，从而获得Schwarzschild成像光谱结构的优化基础理论。因此首先分析Schwarzschild的
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