摘要：應(yīng)用以像散面為參考波面的平面對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)波像差理論，分析Offner型成像光譜儀分光系統(tǒng)的像散特性，確定其初始結(jié)構(gòu)。優(yōu)化設(shè)計(jì)適用于短波紅外波段（1.0~2.5μm）的此型成像光譜儀分光系統(tǒng)，設(shè)計(jì)得到的系統(tǒng)具有入射狹縫長(zhǎng)（30mm）、相對(duì)孔徑大（F/#2.5）、結(jié)構(gòu)緊湊、物像方遠(yuǎn)心等優(yōu)點(diǎn)，其狹縫光譜像的彎曲畸變和色畸變均小于百分之五個(gè)像元，成像質(zhì)量接近衍射極限。

0 引言

Offner型分光系統(tǒng)屬同心光學(xué)系統(tǒng)，具有固有像差小、相對(duì)孔徑大、譜線彎曲和色畸變小、成像質(zhì)量高、結(jié)構(gòu)緊湊等優(yōu)點(diǎn)，適用作高分辨率成像光譜儀的分光系統(tǒng)，并已成功用于土星探測(cè)器Cassini、地球觀測(cè)衛(wèi)星EO-1和火星勘測(cè)衛(wèi)星（MRO）等光譜成像遙感器。該系統(tǒng)首先由Thevenon提出，隨后Fisher，Chrisp和Mouroulis等人給出了各種此型分光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，使其在相關(guān)領(lǐng)域得到發(fā)展。但對(duì)于該類系統(tǒng)的設(shè)計(jì)多基于光線追跡法和單塊光柵的像差理論，而對(duì)于整個(gè)系統(tǒng)像差理論研究的報(bào)導(dǎo)并不多見(jiàn)。

典型的Offner型成像光譜儀分光系統(tǒng)由兩塊凹面反射鏡和一塊凸面衍射光柵組成，是一種平面對(duì)稱系統(tǒng)，很難用軸對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)的初級(jí)像差理論全面地描述和分析其成像特性。Chrisp提出了基于像散參考波面的平面對(duì)稱系統(tǒng)波像差理論，可用來(lái)分析和研究各種初級(jí)像差與結(jié)構(gòu)參數(shù)之間的關(guān)系，用于平面對(duì)稱光學(xué)系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)確定和設(shè)計(jì)。

下文首先介紹 Offner 型成像光譜儀分光系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和原理; 然后，通過(guò)簡(jiǎn)要介紹平面對(duì)稱系統(tǒng)的波像差理論和分析其像散特性，給出確定初始結(jié)構(gòu)的方法; 最后，根據(jù)要求的技術(shù)指標(biāo)，給出設(shè)計(jì)結(jié)果、像質(zhì)評(píng)價(jià)和結(jié)論。

1 結(jié)構(gòu)與原理

此分光系統(tǒng)源于Offner反射中繼系統(tǒng)，用凸面光柵代替原來(lái)的凸面反射鏡，并將反射鏡分成兩塊，如圖1所示，是一種改進(jìn)型系統(tǒng)。物鏡 L 和分光系統(tǒng)（ 圖中虛線框） 一起構(gòu)成成像光譜儀，此前置物鏡將目標(biāo)物成像于分光系統(tǒng)的入射狹縫S上。分光系統(tǒng)主要包含凹面反射鏡M1和M3、凸面衍射光柵G2、孔徑光闌（設(shè)在光柵G2上） 、入射狹縫 S 和像平面 F。入射狹縫和光柵柵槽的取向垂直于紙面。

經(jīng)狹縫進(jìn)入分光系統(tǒng)的光，入射到凹面反射鏡M1后，反射至凸面光柵 G2，經(jīng)凸面光柵衍射色散后到反射鏡M3，反射鏡M3將不同波長(zhǎng)的狹縫光譜像聚焦在像平面F處。在像面處放置探測(cè)器，可接收到狹縫的光譜像，這些光譜像沿光柵的色散方向均勻排列。若讓成像光譜儀沿垂直于狹縫的方向作推掃，則可獲得目標(biāo)物的兩維空間信息和一維光譜信息。

圖1. Offner 型光譜成像儀結(jié)構(gòu)原理圖

2 波像差理論

衍射光柵的引入致使分光系統(tǒng)不再軸對(duì)稱，而是一種平面對(duì)稱系統(tǒng)，入射狹縫中心、光柵頂點(diǎn)和反射鏡M1、M3 的頂點(diǎn)位于對(duì)稱平面內(nèi)。根據(jù)文獻(xiàn)，通過(guò)引入像散參考波面，在近基（ parabase） 范圍內(nèi)（ 圖 2 中AOB 為光學(xué)表面的基線（ base ray） ，位于對(duì)稱平面內(nèi)） ，可將波像差 W 展開(kāi)表示為

。..。..

5 結(jié) 論

以上采用平面對(duì)稱系統(tǒng)的波像差理論，給出了 Offner 型成像光譜儀分光系統(tǒng)子午和弧矢離焦像差系數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系式，在此基礎(chǔ)上分析了像散特性，給出對(duì)一個(gè)波長(zhǎng)消像散的條件。利用此消像散條件，給出系統(tǒng)初始結(jié)構(gòu)的確定過(guò)程。設(shè)計(jì)得到了工作于短波紅外的大視場(chǎng)成像光譜儀分光系統(tǒng)，它具有物像方遠(yuǎn)心、結(jié)構(gòu)緊湊、譜線彎曲和色畸變小等特點(diǎn)，成像質(zhì)量接近衍射極限。該系統(tǒng)的三個(gè)元件均為球面元件，且口徑不大，加工相對(duì)較為容易。其中主鏡 M1 的傾斜和偏心公差對(duì)像質(zhì)影響較大，實(shí)際裝調(diào)過(guò)程中可通過(guò)三鏡 M3 的傾斜和偏心來(lái)補(bǔ)償，系統(tǒng)的加工、裝調(diào)精度要求容易實(shí)現(xiàn)。

鑒于篇幅，本文僅為節(jié)選［蘇州大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）第27卷］

審核編輯 ：李倩