基于離軸兩反利特羅結(jié)構(gòu)的棱鏡高光譜成像系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)

楊 晉，崔繼承，巴音賀希格，齊向東，唐玉國(guó)*，姚雪峰

1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

基于離軸兩反利特羅結(jié)構(gòu)的棱鏡高光譜成像系統(tǒng)的光學(xué)設(shè)計(jì)

楊 晉1, 2，崔繼承1，巴音賀希格1，齊向東1，唐玉國(guó)1*，姚雪峰1

1.中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所，吉林 長(zhǎng)春 130033 2.中國(guó)科學(xué)院大學(xué)，北京 100049

為滿足高光譜成像系統(tǒng)高空間分辨率和高光譜分辨率的要求，并應(yīng)對(duì)實(shí)際應(yīng)用中對(duì)儀器小型化、輕量化、高光學(xué)效率的新需求，研究一種基于利特羅結(jié)構(gòu)的棱鏡色散高光譜成像系統(tǒng)，采用離軸兩反的利特羅結(jié)構(gòu)形式減小光學(xué)系統(tǒng)的體積，同時(shí)為平面棱鏡提供準(zhǔn)直光路，并以宏編程的優(yōu)化方式，避免系統(tǒng)中光路干涉。結(jié)果表明，通過非球面反射鏡和雙校正透鏡的設(shè)計(jì)，該光學(xué)成像系統(tǒng)的譜線彎曲均小于2.1 μm，色畸變小于1.3 μm，控制在18%像元內(nèi)，在400～1 080 nm可見—近紅外(VNIR)工作波段的光學(xué)調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)均達(dá)到0.9以上，光譜分辨率為1.6～5.0 nm，光譜透過率在51.5%以上，系統(tǒng)在整個(gè)工作光譜范圍都具有較高的透過率和像質(zhì)。

利特羅結(jié)構(gòu)； 離軸兩反系統(tǒng)； 高光譜成像儀； 譜線彎曲； 色畸變

引 言

高光譜成像儀是一種將空間望遠(yuǎn)系統(tǒng)和光譜分析系統(tǒng)相結(jié)合的光學(xué)遙感儀器，從20世紀(jì)80年代問世至今，經(jīng)過30多年的發(fā)展，已經(jīng)廣泛應(yīng)用于在軍事偵察、農(nóng)、林、水、土、礦等資源調(diào)查以及醫(yī)療診斷、產(chǎn)品質(zhì)量檢驗(yàn)等領(lǐng)域。目前已研制的高光譜成像儀有美國(guó)NASA的AVIRIS[1]、NEMO衛(wèi)星上的COIS[2]、EO-1衛(wèi)星上的Hyperion[3]、意大利航天局的PRISMA[4]，英國(guó)小衛(wèi)星上的CHRIS[5]、歐空局的APEX[6]、以及德國(guó)小衛(wèi)星上的EnMAP[7]等。它們的最顯著特點(diǎn)是都具400～1 000或400～2 500 nm的太陽(yáng)反射區(qū)的工作光譜范圍，并且一般可達(dá)10-2λ的納米量級(jí)光譜分辨率。其中，COIS和Hyperion是以凸面光柵作為色散元件，采用同心光學(xué)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)； PRISMA，CHRIS，APEX和EnMAP以棱鏡作為分光元件，CHRIS和EnMAP在同心系統(tǒng)中采用曲面棱鏡校正像差，PRISMA和APEX在平行光路中采用平面棱鏡分光，并加入像差校正透鏡[8]。

隨著現(xiàn)代光譜成像技術(shù)發(fā)展以及應(yīng)用的不斷擴(kuò)大，為了適應(yīng)在各種小搭載平臺(tái)上的勘探、偵查任務(wù)，對(duì)高光譜成像儀光譜分辨率、空間分辨率、小型化、輕量化、便攜式的要求也越來越高。采用同心光學(xué)系統(tǒng)的高光譜成像儀可以較好得解決上述問題，但作為其核心色散元件的曲面光柵或曲面棱鏡，存在著難加工、難裝調(diào)、制作成本高等問題[9-10]。而且曲面光柵還具有寬波段內(nèi)平均衍射效率較低，級(jí)次重疊，雜光較多等缺點(diǎn)[9]。若以曲面棱鏡作為同心光學(xué)系統(tǒng)的高光譜成像儀的色散元件，由于是在非平行光路中使用，為了校正棱鏡色散引起不同波長(zhǎng)的成像彎曲，需要對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行復(fù)雜化[10-12]。

鑒于此，本文研究一種基于利特羅結(jié)構(gòu)的棱鏡色散高光譜成像系統(tǒng)，系統(tǒng)采用離軸兩反利特羅結(jié)構(gòu)形式減小光學(xué)系統(tǒng)的體積, 同時(shí)為平面棱鏡提供準(zhǔn)直光路, 通過二次曲面兩反系統(tǒng)和雙透鏡校正系統(tǒng)像差，并以不同光學(xué)玻璃材料組合成平面棱鏡作為色散元件，消除圖像彎曲與波長(zhǎng)的關(guān)系，使系統(tǒng)既具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、便于加工裝調(diào)的特點(diǎn)，又具有較大的自由光譜范圍，并且對(duì)整個(gè)光譜具有較高的透過率。

1 基礎(chǔ)理論分析

利特羅結(jié)構(gòu)又稱自準(zhǔn)成像結(jié)構(gòu)(反射式)在光譜儀器中有較廣泛的應(yīng)用，如圖1所示，光束由入射狹縫S1進(jìn)入系統(tǒng)，經(jīng)準(zhǔn)直反射鏡M1(可以由一塊或多塊反射鏡組成)后進(jìn)入色散元件P，分光后經(jīng)平面反射鏡M2反射后由原光路返回，會(huì)聚于出射狹縫S2。利特羅結(jié)構(gòu)通過自準(zhǔn)直成像有效減小系統(tǒng)的體積，其近似于對(duì)稱結(jié)構(gòu)的等效光路可以很好抑制軸外像差，并且兩次通過色散元件增加系統(tǒng)色散能力。

圖1 利特羅結(jié)構(gòu)光譜儀示意圖

針對(duì)高光譜成像系統(tǒng)對(duì)成像質(zhì)量有較高的要求，采用倒置離軸兩反望遠(yuǎn)系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)光束的初準(zhǔn)直和再會(huì)聚。共軸反射系統(tǒng)如圖2(a)所示，具有中心遮攔和雜散光較多等缺點(diǎn)，離軸兩反系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是基于高斯光學(xué)理論，求取共軸兩反系統(tǒng)結(jié)構(gòu)作為初始解，然后將共軸系統(tǒng)進(jìn)行離軸化設(shè)計(jì)和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)中心無遮攔，如圖2(b)所示。

圖2 兩反系統(tǒng)示意圖

共軸兩反射鏡系統(tǒng)本身只能校正四種像差，但利特羅結(jié)構(gòu)相當(dāng)于對(duì)稱系統(tǒng)，慧差、畸變得到校正，只需消除球差、像散和場(chǎng)曲，其對(duì)應(yīng)三級(jí)像差系數(shù)表達(dá)式為

(1)

SⅠ=SⅢ=SⅣ=0

(2)

由式(1)和式(2)可得

(3)

(4)

圖3 SⅠ=SⅢ=SⅣ=0的曲線圖

2 高光譜成像儀的設(shè)計(jì)

在離軸兩反系統(tǒng)的平行光路中插入棱鏡和平面反射鏡就構(gòu)成高光譜成像儀的初始結(jié)構(gòu)，高光譜成像儀的設(shè)計(jì)流程如圖4。確定初始結(jié)構(gòu)參數(shù)后，通過光學(xué)設(shè)計(jì)軟件對(duì)共軸兩反的利特羅結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，主要在控制系統(tǒng)的球差、像散和場(chǎng)曲的前提下，對(duì)高級(jí)像差進(jìn)行抑制。在發(fā)散或會(huì)聚光束中插入平面棱鏡，必然會(huì)引入多種像差[13]，本文將優(yōu)化后的共軸系統(tǒng)離軸化后產(chǎn)生準(zhǔn)直光束入射到色散棱鏡，其在平行光下初級(jí)像差系數(shù)為

SⅠ=SⅡ=SⅢ=SⅣ=0

(5)

(6)

系統(tǒng)離軸和插入棱鏡色散后，引入的非對(duì)稱性產(chǎn)生額外像差，再次優(yōu)化對(duì)殘余像差校正的同時(shí)著重控制系統(tǒng)的譜線彎曲(spectralsmiles)、色畸變(keystone)，并且通過宏編程防止優(yōu)化過程中產(chǎn)生的系統(tǒng)光路干涉。折疊反射系統(tǒng)可能會(huì)出現(xiàn)鏡面碰撞、光線被鏡片阻擋等干涉現(xiàn)象，如圖5所示，通過幾何光線追跡，對(duì)鏡片的臨界點(diǎn)和邊緣光線進(jìn)行控制，防止第二片校正透鏡C2與次反射鏡M2的碰撞、下邊緣光線與次鏡的干涉、第一片棱鏡P1與下邊緣光線干涉等，當(dāng)光路自準(zhǔn)直返回時(shí)也要進(jìn)行相似的約束控制。

圖4 系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程

圖5 光路干涉示意圖

光學(xué)系統(tǒng)的最終設(shè)計(jì)結(jié)果如表1所示，圖6為系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖。系統(tǒng)參數(shù)指標(biāo)如：入射狹縫長(zhǎng)度為12 mm； 物方數(shù)值孔徑為0.15； 光譜范圍為VNIR波段400～1 080 nm； 探測(cè)器像元尺寸為12 μm×12 μm的CCD面陣探測(cè)器； 光譜分辨率：工作光譜邊緣的長(zhǎng)波光譜分辨率<5.0 nm，短波光譜分辨率<1.6 nm，譜面寬度為3.04 mm，共有126個(gè)光譜通道； 調(diào)制傳遞函數(shù)：全狹縫高范圍內(nèi)>0.9； 光學(xué)尺寸：298 mm×179 mm×149 mm。

圖6 離軸兩反利特羅棱鏡高光譜成像系統(tǒng)的光學(xué)結(jié)構(gòu)圖

表1 離軸兩反利特羅棱鏡高光譜成像系統(tǒng)的參數(shù)

光學(xué)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)采用自準(zhǔn)直型的利特羅結(jié)構(gòu)，使結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊，減小了系統(tǒng)的光學(xué)尺寸，并抑制了系統(tǒng)軸外像差。與對(duì)稱式結(jié)構(gòu)相同，利特羅結(jié)構(gòu)的軸上像差相疊加，主鏡和次鏡分別采用橢球面和雙曲面的設(shè)計(jì)，校正軸上球差，并進(jìn)一步平衡軸外像差。由于色散和離軸引入的非對(duì)稱性產(chǎn)生了額外的像差，以及要控制系統(tǒng)的譜線彎曲和色畸變，在光學(xué)系統(tǒng)中插入了一對(duì)校正透鏡，并且在不影響裝調(diào)難度的情況下把兩個(gè)棱鏡組合的膠合面優(yōu)化為大半徑的球面，達(dá)到平像場(chǎng)的目的。系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)如圖7所示，各單色光對(duì)不同狹縫高度處(不同視場(chǎng))的成像都保持較高的像質(zhì)，調(diào)制傳遞函數(shù)到達(dá)0.9以上，能夠有效減小前端成像鏡頭的設(shè)計(jì)壓力。波像差曲線如圖8所示，全工作光譜波段的像差都得到較好的校正，光學(xué)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜化使系統(tǒng)得到更優(yōu)的像質(zhì)，滿足平像場(chǎng)的要求。

3 系統(tǒng)性能分析

在高光譜成像系統(tǒng)中，同一波長(zhǎng)在不同視場(chǎng)(不同狹縫高)的橫向放大率的差異引起譜線彎曲，不同波長(zhǎng)的橫向放大率的差異引起色畸變，它們嚴(yán)重影響高光譜成像系統(tǒng)的光譜分辨率和成像質(zhì)量。不同材料棱鏡組合的引入消除了系統(tǒng)成像彎曲與波長(zhǎng)之間關(guān)系，有助于解決譜線彎曲的問題，同時(shí)加以校正透鏡和對(duì)組合棱鏡膠合面的控制，如圖9和10所示，系統(tǒng)光譜彎曲小于2.16 μm，色畸變小于1.30 μm，都控制在18%像元內(nèi)。

當(dāng)以曲面掩膜光柵作為色散元件時(shí)，在寬工作波段范圍內(nèi)光柵衍射效率一般在20%～60%之間，并且存在難以加工和二級(jí)光譜重疊等問題，而棱鏡色散具有較大的自由光譜范圍和高光譜透過率的特點(diǎn)，如圖11所示，圖11a為經(jīng)過兩次色散后系統(tǒng)棱鏡的光譜透過率，全工作波段光譜透過率在67.9%～93.5%之間，圖11b為整個(gè)系統(tǒng)的光譜透過率，全工作波段光譜透過率均在51.5%以上，有效地降低電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度，提高了系統(tǒng)信噪比。

圖9 不同波長(zhǎng)的譜線彎曲

圖10 不同縫高的色畸變

圖11 不同波長(zhǎng)的光譜透過率

4 結(jié) 論

研究一種基于離軸兩反利特羅結(jié)構(gòu)的棱鏡色散高光譜成像系統(tǒng)，通過二次曲面反射鏡和雙校正透鏡校正系統(tǒng)像差，并以組合棱鏡作為色散元件，消除光譜圖像彎曲與波長(zhǎng)的關(guān)系，使系統(tǒng)具有大的自由光譜范圍和高光譜透過率。結(jié)果表明，在工作波長(zhǎng)400～1 080 nm范圍內(nèi)，高光譜成像系統(tǒng)光譜分辨率為1.6～5.0 nm，譜段數(shù)達(dá)到126個(gè)。系統(tǒng)各單色光在全狹縫成像均保持較高的像質(zhì)，相對(duì)譜線彎曲和色畸變均控制在18%像元內(nèi)，調(diào)制傳遞函數(shù)達(dá)到0.9以上，其具有高光學(xué)效率、高光譜分辨率、高成像質(zhì)量的特點(diǎn)，并且在便于加工裝調(diào)的同時(shí)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的小型化、輕量化，能夠適應(yīng)目前大部分搭載平臺(tái)對(duì)高光譜成像儀的要求。

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(Received Sep.16, 2014; accepted Jan.18, 2015)

*Corresponding author

Study on the Design of Prism Hyperspectral Imaging System Based on Off-Axis Two-Mirror Littrow Configuration

YANG Jin1, 2，CUI Ji-cheng1，Bayanheshig1，QI Xiang-dong1，TANG Yu-guo1*，YAO Xue-feng1

1.Changchun Institute of Optics，F(xiàn)ine Mechanics and Physics，Chinese Academy of Sciences，Changchun 130033， 2.University of Chinese Academy of Sciences，Beijing 100049，China

In order to meet the requirements of high spectral resolution and high image quality on the hyperspectral imaging system, and to meet the new demands of miniaturization, light weight, and high optical efficiency in practical applications, a prism known as hyperspectral imaging system based on Littrow configuration is designed.The use of off-axis two-mirror Littrow configuration is to reduce the size of the optical system and provide a collimated beam for the plane prisms.To avoid the optical path interference, the macro programming optimization is applied.The application of two correct lens and aspheric mirrors can correct the spectral smile and the keystone of the hyperspectral imaging system.It is indicated that the distortion is less than 2.1 μm and the spectral bend is less than 1.3 μm, both are controlled within 18% pixel.The analytical results indicate that the MTF in the visible-near infrared(VNIR) spectral region from 400 to 1 080 nm is above 0.9 while spectrum resolution is about 1.6～5.0 nm, the spectral transmittance more than 51.5%.The results show that the system has high transmittance and image quality within the whole spectral range.

Littrow structure; Off-axis two-mirror system; Hyperspectral imager; Spectral smile; Keystone

2014-09-16，

2015-01-18

國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(2014YQ120351)，國(guó)家重點(diǎn)基礎(chǔ)研究發(fā)展計(jì)劃(2014CB049501)，國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61108032)，國(guó)家重大科研裝備研制項(xiàng)目(ZDYZ2008-1)，國(guó)家重大科學(xué)儀器設(shè)備開發(fā)專項(xiàng)項(xiàng)目(11YQ120023)和吉林省科技發(fā)展計(jì)劃項(xiàng)目(20140203011GX)資助

楊 晉，1988年生，中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械與物理研究所研究實(shí)習(xí)員 e-mail：yangjinl@mail.ustc.edu.cn *通訊聯(lián)系人 e-mail: tangyg@yiliaoyiqi.com

TH744.1

A

10.3964/j.issn.1000-0593(2016)05-1537-06