1 引言

成像光谱仪技术起源于多光谱遥感成像技术,其能够以高分辨率甚至超分辨率获取遥感目标的超多谱段图像,在大气、海洋和陆地观测等方面应用广泛。高分辨率紫外(200~400 nm)成像光谱仪在物质成分分析、农业、生物、石油化工等领域应用广泛^[1]。在水质监测领域中,基于紫外光谱分析的监测技术具有水样无需预处理、无需化学试剂、操作简单、检测速度快等优点。很多国家将紫外段光谱254 nm单特征波长分析方法列为水质检测标准方法之一^[2]。此外,由于大气层吸收了200~300 nm波段内大部分的太阳辐射光谱,因此该谱段的机载紫外光谱仪可以在白天进行电晕监测,也可以对火山源和人造发射器尾焰进行监控^[3]。

目前,国际上具有代表性的机载成像光谱仪有先进航空成像光谱仪系统(AAHIS)^[4]和美国的便携式海洋探测成像光谱仪(PHILIS)^[5]等。PHILIS的工作波段为400~1000 nm,相对孔径为1/4;AAHIS的工作波段为390~840 nm,相对孔径为1/3。有代表性的星载紫外成像光谱仪有欧洲太空局(ERS)ERS-2上的全球臭氧检测试验装置(GOME)^[6],ENVISAT-1上的扫描成像大气吸收光谱仪(SCIAMACHY)^[7]。国内对紫外波段成像光谱仪的设计还比较贫乏,大部分Offner结构的成像光谱仪工作波段都在400 nm以上,其中2012年长春光学精密机械与物理研究所研制出工作波段为400~800 nm的Offner型凸面光栅光谱仪,其光谱分辨率为2.4 nm,体积为209 mm×199 mm×110 mm^[8]。北京理工大学在2015年研制出基于平面衍射光栅的紫外成像光谱仪,采用8 mm×0.4 mm宽的狭缝,工作波段为120~180 nm,光谱分辨率为1.3 nm,调制传递函数(MTF)在35 lp/mm处大于0.3^[9]。

近年来,飞机和卫星作为最主要的航空遥感平台,要求搭载的遥感设备不仅具有大视场、高分辨率、较高目标识别能力,还要逐步实现轻量化、小型化、操作简单和可靠等目标^[10]。将高分辨率的紫外成像光谱仪轻量化、小型化后装载在飞机和卫星上,使其对地监测更灵活机动、快速高效,这样在海洋赤潮、原油泄漏、海洋污染等事件的发现和监测方面都可以发挥重要作用。

2 Offner光谱成像系统

成像光谱仪的系统结构和指标参数基本决定了其体积和质量,而分光形式是光谱仪系统结构的核心部分。因此分光形式的选择将直接影响到整个系统的结构、体积等因素。成像光谱系统的分光方式主要包括色散棱镜、干涉滤光片、光栅等。棱镜分光会形成谱线弯曲;在干涉分光中,干涉谱准确性受系统力、热学的影响较大,而且光谱定标难度大^[11]。凸面光栅光谱仪虽然加工难度较大,但因其同时具备结构对称、无谱线弯曲和大像场长狭缝等优点,在航空航天高分辨率成像光谱系统中应用较为广泛。

凸面光栅制作工艺难度大、衍射效率较低等因素限制了其应用。近年来,国内关于凸面光栅的需求越来越大,苏州大学通过光刻胶光栅掩模制作和离子束刻蚀等工艺,利用转动扫描刻蚀实现了球面上的闪耀光栅刻蚀,解决了闪耀角不易一致的问题,首次研制出4.3°闪耀角的凸面闪耀光栅,在400~800 nm工作波段内,+1级衍射效率均值达到40%以上^[12]。

Offner成像基本结构如图1所示,系统由一个大凹面反射镜M1和一个小凸面反射镜M2组成,两者均为球面且拥有共同的球心。通过合理调整系统参数,可以在过球心且垂直于光轴的平面上形成一个无像差的共轭物平面和像平面。从物点O射出的光线经过三次反射,汇聚于像平面上形成像I。这种成像系统为1∶1比例成像,用两个同心球面反射镜进行三次反射可消除三阶赛德尔像差^[13-15]。因此Offner系统具有良好的成像特性,同时还具有结构简单、易装调等特点,可以满足系统小型化、轻量化等要求。

图 1. Offner结构原理图

Fig. 1. Schematic diagram of Offner configuration

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由于Offner成像系统本身具有良好的成像特性,以及装置小型化、轻量化等要求,将次镜M2代替为凸面反射光栅,即为基于Offner结构的成像光谱仪系统,普适结构如图2所示,图中I₁为物点,I'_m为子午像点该结构由Offner 1∶1中继成像系统演化而来,保持了原Offner结构的优点,而且色畸变、谱线弯曲都很小。但光栅的衍射作用破坏了原系统的对称性,虽然能消除3级像差,但5级像散无法消除。将原系统中大的主镜替换为两个小的凹面反射镜,保持同心结构,增加了系统的自由度,通过优化可以得到满意的像质。

图 2. 具有基于Offner结构凸面光栅的成像光谱仪系统示意图

Fig. 2. Schematic diagram of spectral imaging system with convex grating based on Offner configuration

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如图2所示,M1、M2和M3的曲率中心重合于C点,曲率半径分别为R₁、R₂、R₃,光线在M1和M3上的入射角分别为θ₁、θ₃,光栅入射角和衍射角分别为θ₂和θ'₂。根据光栅方程,光谱范围为λ₁~λ₂:

sinθ'2λ2-sinθ'2λ1=k(λ2-λ1)/g,(1)

式中k为衍射级次,g为光栅刻线间隔。光谱谱线展开距离h为:

h=R3(sinθ3λ2-sinθ3λ1),(2)

代入正弦公式:

R3sinθ'2=R2sinθ3,(3)

计算得到凸面光栅曲率半径与光谱分辨率以及光栅常数之间的关系^[16]:

R2=ghkΔλ,(4)

式中R₂表示凸面光栅的曲率半径,1/g为光栅常数,Δλ为光谱分辨率。

根据正弦公式有:

R1sinθ1=-R2sinθ2,(5)R3sinθ3=R2sinθ'2,(6)

根据上述公式和系统设计指标可以确定基本结构参数,再通过光学设计软件ZEMAX不断优化设计,即可得到符合要求的系统设计。

3 两种Offner结构的凸面光栅成像光谱系统设计

系统的主要设计指标如表1所示,其中NA表示数值孔径。

根据上述公式,结合系统指标,计算可得初始系统参数,利用ZEMAX进一步优化设计,最后可以得到结果优良的系统。本研究在初始结构的基础上提出一种设计方案,可满足40 mm较长狭缝、高分辨率以及小型化、轻量化的要求。

3.1 初始结构

为了得到满意的像质,增加系统的自由度,在基本Offner结构的基础上,将主镜分裂成两个反射镜M1和M3。系统中三个反射面均为球面且共心,结构对称且易于装调。光阑位于光栅表面,形成物方远心系统,保证了能量的有效利用,结构如图3(a)所示。表2为系统结构参数,各视场点列图与MTF曲线性能指标如图4所示。

图 3. (a)初始和(b)优化后的Offner凸面光栅成像光谱仪光学结构图

Fig. 3. Optical configuration diagram of (a) initial and (b) optimized Offner convex grating spectral imaging system

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图 4. 波长为(a) 0.25 μm、(b) 0.325 μm、(c) 0.4 μm时初始结构的点列图;波长为(d) 0.25 μm、(e) 0.325 μm、(f) 0.4 μm时初始结构的MTF曲线

Fig. 4. Spot diagram of the initial configuration with the wavelength of (a) 0.25 μm, (b) 0.325 μm, (c) 0.4 μm; MTF curves of the initial configuration with the wavelength of (d) 0.25 μm, (e) 0.325 μm, (f) 0.4 μm

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初始设计整体结构尺寸为730 mm×420 mm×220 mm。在图4给出的0.25,0.325,0.4 μm三个波长所对应的各视场点列图中,弥散斑的均方根(RMS)半径均小于3 μm,且均控制在1/4像元尺寸以内。边缘视场和中心视场的弥散斑差异较大,这是由于系统自由度小造成的。系统在38.5 lp/mm处的MTF值在全视场内均达到0.76以上。

3.2 优化结构

为平衡系统小型化和系统光谱高质量成像的要求,基于Offner同心光学系统,在狭缝后以及像面前分别插入一块弯月透镜。为了装调方便,将两面反射镜(面3、面5)设计为一面镜子,将两块弯月透镜设计为一块透镜,两块弯月透镜靠近狭缝的两面(面1、面7)与三个反射面(面3、面4、面5)共心。考虑到工作波段为250~400 nm,透镜材料选择熔融石英。光阑位于光栅上形成物方远心系统,系统中所有光学表面均为球面,结构对称,自动校正三级像散、场曲以及子午离轴彗差,仅剩下5级像散,其结构如图3(b)所示。表2为优化系统的结构参数,各视场的点列图和奈奎斯特频率处的MTF曲线如图5所示。

优化结构的Offner凸面光栅成像光谱仪整体结构尺寸仅为310 mm×220 mm×125 mm,系统体积约缩小为初始结构的1/8。在三个波长0.25,0.325,0.4 μm对应的各视场点列图中,优化结构经过光学系统后弥散斑的均方根半径均小于3 μm,小于1/4像元尺寸。系统在38.5 lp/mm处的MTF值在全视场内均达到0.76以上,可得到满意的像质。与初始结构相比,优化后的结构不仅具备高像质、易装调的特点,而且体积更小,结构更紧凑。

图 5. 波长为(a) 0.25 μm、(b) 0.325 μm、(c) 0.4 μm时优化后结构的点列图;波长为(d) 0.25 μm、(e) 0.325 μm、(f) 0.4 μm时优化后结构的MTF曲线

Fig. 5. Spot diagram of the optimized configuration with the wavelength of (a) 0.25 μm, (b) 0.325 μm, (c) 0.4 μm; MTF curves of the optimized configuration with the wavelength of (d) 0.25 μm, (e) 0.325 μm, (f) 0.4 μm

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4 光学系统性能分析

成像光谱仪的光谱分辨率由光谱成像系统决定,其公式为:

Δλ=(λ2-λ1)Δp·2a,(7)

式中探测器像元尺寸a=13 μm,工作波段为250~400 nm,探测器上色散宽度Δp=13 mm,计算可得光谱分辨率Δλ=0.3 nm。

光谱成像系统的畸变可以用色畸变和谱线弯曲表示。色畸变为入射狭缝上同一点所成的不同波长的像点与垂直于狭缝方向的偏离距离。谱线弯曲指的是某一波长的边缘视场和中心视场在垂直于狭缝方向的像点位置差异。为了保证光谱数据具有较高的一致性,这些畸变被要求控制在像元尺寸的20%甚至10%以内^[17]。图6和图7分别为上述两种结构的最大色畸变和最大谱线弯曲随波长变化的曲线。像元尺寸为13 μm,畸变值均经过归一化处理。

从图6、图7可以看出,初始结构的最大谱线弯曲远远小于像元尺寸的1%,可以忽略不计,最大色畸变也小于像元尺寸的1%。优化结构在400 nm处的色畸变和谱线弯曲值最大,但也均小于像元尺寸的10%。两种结构的最大色畸变均随着波长的增大而增大,即随着波长增大,谱线越来越长。两种结构的最大谱线弯曲均为正值,即弯曲方向相同,优化结构的最大谱线弯曲随着波长增大而增大。两种系统均很好地控制了畸变值,能够确保光谱复原的准确性和高一致性。

图 6. 初始结构在不同波长处的(a)最大谱线弯曲和(b)最大色畸变

Fig. 6. (a) Maximum smile and (b) maximum keystone of the initial configuration at different wavelengths

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图 7. 优化结构在不同波长处的(a)最大谱线弯曲和(b)最大色畸变

Fig. 7. (a) Maximum smile and (b) maximum keystone of the optimized configuration at different wavelengths

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图8和图9分别为两种结构在中心波长和边缘波长的能量集中度曲线,从图中可以看出,两种结构在中心波长和边缘波长处集中在一个探测器像元内的能量大于等于90%,在工作波段内均可以得到满意的成像质量。

图 8. 初始结构在中心波长及边缘波长处的能量集中度曲线。(a)边缘波长250 nm;(b)中心波长325 nm;(c)边缘波长400 nm

Fig. 8. Encircled energy curves of the initial configuration at central and edge wavelengths. (a) Edge wavelength of 250 nm; (b) central wavelength of 325 nm; (c) edge wavelength of 400 nm

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图 9. 优化结构在中心波长及边缘波长处的能量集中度曲线。(a)边缘波长250 nm;(b)中心波长325 nm;(c)边缘波长400 nm

Fig. 9. Encircled energy curves of the optimized configuration at central and edge wavelengths. (a) Edge wavelength of 250 nm; (b) central wavelength of 325 nm; (c) edge wavelength of 400 nm

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从以上分析结果可以看出:在整个工作波段内,两种基于Offner结构的凸面光栅成像光谱仪实现了40 mm全视场内小于0.3 nm的高分辨率成像,且系统成像质量良好。相比于北京理工大学的紫外成像光谱仪,本设计实现了更长狭缝和更高光谱分辨率的技术要求。其中优化方案采用在狭缝后以及像面前分别插入一块弯月透镜的设计,整体结构尺寸仅为310 mm×220 mm×125 mm;该设计大大缩小了系统体积,实现了小型化、轻量化的要求,并且具有易加工、易装调的优点。

5 结论

面向高分辨率紫外Offner成像光谱仪小型化、轻量化的要求,提出一种采用凸面光栅作为分光元件的Offner型紫外成像光谱仪。在原Offner系统的基础上,为了增加系统的自由度,将主镜裂变为两块小反射镜,得到了初始结构。优化结构是在初始结构基础上,在第一块反射镜前和第三块反射镜后插入两块弯月形透镜,使系统体积更小,结构更紧凑。通过对系统的分析表明,两种光谱仪系统都具备Offner结构良好的成像特性,但由于初始结构可以优化调节的自由度较小,因此优化结构的像质略高于初始结构。优化结构的成像质量接近衍射极限,能实现40 mm较大的狭缝线视场,光谱分辨率小于0.3 nm,并且谱线弯曲和色畸变很小,确保了复原光谱的准确性。同时,全球面的设计降低了加工及装调难度,适合作为机载、星载高光谱遥感的紫外成像光谱仪系统。