超光譜分辨率紫外雙通道共光路成像光譜儀設(shè)計

張 璐，李 博 ，李寒霜，顧國超，王曉旭，邵英秋，林冠宇,3，葉 新,3

（1. 中國科學院 長春光學精密機械與物理研究所, 吉林 長春 130033；2. 中國科學院大學, 北京 100049；3. 許健民氣象衛(wèi)星創(chuàng)新中心, 北京100081）

1 引 言

成像光譜儀是一種可以同時獲取光譜信息與圖像信息的光譜儀器，其在深空探測領(lǐng)域有著十分重要的作用。

國內(nèi)外許多空間探測衛(wèi)星都搭載了成像光譜儀。隸屬于美國航空航天局（NASA）和歐洲航天局（ESA）的Cassini 衛(wèi)星上搭載的VIMS-V 成像光譜儀[1-2]，可單通道成像，光譜覆蓋范圍為0.3～1.05 μm，光譜分辨率為2 nm；ESA 研制的Sentinel-5 搭載了5 臺成像光譜儀[3-4]，其中UV1、UV2-VIS、SWIR1、SWIR3 等4 臺光譜儀均為單通道的成像光譜儀，對應(yīng)光譜范圍分別為0.27～0.31 μm、0.3～0.5 μm、1.59～1.675 μm、2.3～2.385 μm，對應(yīng)光譜分辨率分別為1、0.5、0.25、0.25 nm，NIR 仍然是單通道成像方式，通過對探測器進行區(qū)域劃分形成多光譜范圍的探測，光譜范圍為0.685～0.71 μm、0.745～0.755 μm、0.755～0.773 μm，對應(yīng)光譜分辨率全都為0.4 nm。NASA 研發(fā)的NACHOS 立方衛(wèi)星上搭載的高分辨率紫外可見高光譜成像儀[5]，同樣采用了單通道的成像方式，光譜范圍覆蓋0.29～0.5 μm，光譜分辨率為1.3 nm。

我國研制的高分5 號衛(wèi)星上所搭載的可見短波紅外高光譜相機AHSI[6-7]，光譜范圍為0.39～2.51 μm，分為可見近紅外和短波紅外兩個波段通道，每個波段通道都由單獨的一臺光譜儀成像，兩臺光譜儀通過視場分離的方式對接到同一臺望遠鏡上，可見近紅外光譜儀的光譜分辨率為5 nm，短波紅外光譜儀的光譜分辨率為10 nm。碳衛(wèi)星所搭載的二氧化碳探測儀[8-9]，采用了三臺光柵光譜儀分別對中心波長在0.76 μm 的O2-A 吸收帶、中心波長在1.61 μm 的弱CO2吸收帶、中心波長在2.06 μm 的強CO2吸收帶進行探測。通過分束器對接到同一臺望遠鏡上，對應(yīng)光譜分辨率分別為0.044、0.08、0.1 nm。中國科學院長春光學精密機械與物理研究所設(shè)計的應(yīng)用于作物熒光檢測的改進型Offner 光譜儀[10]，也為單通道成像，光譜范圍為0.67～0.78 μm，光譜分辨率為0.3 nm。

目前國內(nèi)外的成像光譜儀多數(shù)采用單通道結(jié)構(gòu)，一臺光譜儀只能對一個波段通道進行色散和探測，對于多個通道的探測需求，需要使用多臺光譜儀來完成，導(dǎo)致儀器整體的光機結(jié)構(gòu)較大。而且，能實現(xiàn)超光譜分辨率的成像光譜儀較少。可實現(xiàn)對目標進行精細探測和滿足載荷輕量化、小型化、高度集成化需求的具有超光譜探測能力的雙通道共光路成像光譜儀短缺。

針對上述問題，本文選取改進型Offner 光譜儀作為初始結(jié)構(gòu)，根據(jù)大氣觀測波段需求，確定雙通道的波段范圍，利用Offner 的結(jié)構(gòu)特性，計算出Offner 分光系統(tǒng)的初始結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)雙通道共光路設(shè)計，同時利用彎月透鏡校正像差。優(yōu)化完成后的雙通道共光路光譜儀成像質(zhì)量良好，達到了優(yōu)于0.1 nm 的超光譜分辨率。

2 技術(shù)指標

超光譜分辨率紫外雙通道共光路成像光譜儀通道1 主要對大氣中的SO2氣體污染物進行觀測，波段范圍為280～300 nm，通道2 主要對NO2等氣體進行觀測，波段范圍為370～400 nm。成像光譜儀采用辰芯GSENSE4040 CMOS 探測器，像元尺寸為9 μm×9 μm，像元數(shù)為4 096×4 096，空間維和光譜維均為2 像元合并采樣。光譜儀的主要技術(shù)指標要求如表1 所示。

表1 本文成像光譜儀的主要技術(shù)指標要求Tab.1 Main technical index requirements of the designed spectrometer

3 雙通道共光路成像光譜儀光學系統(tǒng)設(shè)計

3.1 雙通道Offner 分光系統(tǒng)設(shè)計理論

Offner 結(jié)構(gòu)的光譜儀是一種應(yīng)用廣泛的色散型成像光譜儀，容易實現(xiàn)小F 數(shù)、長狹縫的設(shè)計。Offner 光譜儀有著體積小、分辨率高、容易裝調(diào)的優(yōu)點。

為了實現(xiàn)小型化，本文采用改進型Offner 系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)，入射狹縫和兩個通道的像面都在光柵上方。在此基礎(chǔ)上，通過計算狹縫的離軸量，使狹縫恰好位于兩個波段像面之間，形成雙通道共光路結(jié)構(gòu)。相比于入射光束和出射光束分別位于光柵上下兩端的傳統(tǒng)Offner 系統(tǒng)，改進型Offner 系統(tǒng)只使用了一半的彎月透鏡和反射鏡。將改進型Offner 系統(tǒng)作為初始結(jié)構(gòu)設(shè)計的雙通道Offner 系統(tǒng)不僅降低了雙通道光譜儀中所需第二個通道光譜儀的體積和重量，還進一步降低了彎月透鏡和反射鏡的體積和重量，并且能兼顧超光譜分辨率需求。

為了簡化計算，初始結(jié)構(gòu)采用如圖1 所示的雙通道改進型Offner 系統(tǒng)，系統(tǒng)為物方遠心系統(tǒng)，通道1 的像面為I1，通道2 的像面為I2，入射狹縫S恰好介于I1和I2之間。反射鏡M 和凸面光柵G 共心，反射鏡M 的半徑為R，光柵的半徑為RG。

圖1 改進型Offner 結(jié)構(gòu)圖Fig. 1 Schematic diagram of the improved Offner structure

從通道1 的短波長λ11到通道2 的長波長λ22的高度差ΔH可表示為

式中，ΔH1為狹縫到通道1 短波長λ11像點到狹縫S的距離，ΔH2為通道2 長波長λ22像點到狹縫S的距離。

狹縫位于通道1 長波長λ12像點與通道2 短波長λ21像點之間。光譜儀為1∶1 成像，像方孔徑角也可近似為u，根據(jù)孔徑角的正切關(guān)系可以推出

式中，Δl1為通道1 的色散長度，Δl2為通道2 的色散長度。

色散長度Δl可表示為

其中，Δλ為波段范圍，σ為合并后的像元尺寸，δλ為光譜分辨率，k為采樣參數(shù)，一般情況下k=2，即光譜分辨率為0.1 nm 時，采樣間隔為0.05 nm。

雙通道通過一塊光柵色散，同樣的光柵間隔d對兩個通道均適用，由光柵方程可得

式中，θ為光柵入射角，φ11為通道1 短波長λ11對應(yīng)的衍射角，m為衍射級次。

ΔH1可近似為

光柵入射角度θ可以近似為

整理得到

當光柵的衍射級次m=1，反射鏡M 和凸面光柵G 的半徑如下：R=2RG=500 mm，tanu=0.131 時，根據(jù)0.1 nm 光譜分辨率的要求則有，ΔH=44.2 mm，Δl1=7.2 mm，Δl2=10.8 mm。狹縫離軸量H應(yīng)在72.7～97.9 mm 之間，但狹縫過于靠近兩個通道像點時，會導(dǎo)致出射光線與光柵之間存在遮擋。因此，要為狹縫與兩個通道像點之間留出一定的高度間隔，狹縫離軸量最終取88 mm，對應(yīng)計算出的d為456 nm。

3.2 望遠系統(tǒng)設(shè)計

成像光譜儀兩個通道的波段不一致，要避免因為波段不一致帶來的色差問題，望遠鏡應(yīng)該采用全反射結(jié)構(gòu)，同時還要考慮到望遠鏡小F 數(shù)和大視場以及對成像質(zhì)量的要求，望遠鏡最終采用了離軸三反結(jié)構(gòu)，通過視場離軸的方式消除中心遮攔。為了便于后續(xù)為光譜儀添加消偏器，且使消偏效果達到最佳，孔徑光闌放置在主鏡前方。

優(yōu)化時，首先設(shè)定望遠鏡的焦距，其次，為了便于機械結(jié)構(gòu)設(shè)計，控制孔徑光闌與次鏡邊緣軸向距離大于5 mm, 同時使用CODEV 自帶的@JMRCC 宏文件控制從三鏡出射的光線與次鏡下端同樣留有5 mm 的空隙。優(yōu)化完成后，望遠鏡MTF 圖如圖2（彩圖見期刊電子版）所示，望遠鏡點列圖如圖3 所示。

圖2 望遠鏡MTF 圖Fig. 2 MTF image of telescope system

圖3 望遠鏡點列圖Fig. 3 RMS image of telescope system

由圖1 和圖2 可知，望遠鏡MTF 在奈奎斯特頻率為27.8 lp/mm 時，MTF 優(yōu)于0.9；點列圖結(jié)果在3 個視場均小于7 μm，像質(zhì)良好。

為縮小望遠鏡及光譜儀整體尺寸，在優(yōu)化好的望遠鏡三鏡后放置折疊鏡，起到折疊光路、縮小望遠鏡橫向尺寸的作用。最終得到望遠鏡的二維圖、三維圖如圖4 所示。

圖4 望遠鏡結(jié)構(gòu)圖Fig. 4 Structure diagram of the telescope

3.3 Offner 分光系統(tǒng)設(shè)計

為了匹配前置望遠鏡的F 數(shù)和視場，Offner 分光系統(tǒng)的物方數(shù)值孔徑應(yīng)為0.16，狹縫長度應(yīng)為40 mm。為了與探測器像元相匹配，Offner 分光系統(tǒng)應(yīng)為1∶1 成像，狹縫寬度應(yīng)為18 μm。綜合Offner 分光系統(tǒng)長狹縫、大數(shù)值孔徑和超光譜分辨率的要求，且通道1 和通道2 的光束需共用一個凸面光柵，采用改進型的Offner 初始結(jié)構(gòu)。

為了進一步改善像質(zhì)，在凸面光柵背面添加了彎月透鏡。調(diào)整Offner 分光系統(tǒng)的狹縫離軸量，將凸面光柵的刻線密度設(shè)為變量，限制刻線密度可變的范圍，同時限制通道2 出射光線下邊緣與光柵的上邊緣間隔為5 mm, 控制兩個通道的出射光束與入射光束之間不發(fā)生相互遮擋，對系統(tǒng)進行整體優(yōu)化，直至找到像質(zhì)最佳的狹縫離軸量和光柵刻線密度的最優(yōu)組合，此時，狹縫離軸量為85.5 mm，光柵周期為450 nm。

最終實現(xiàn)了如圖5 所示的Offner 分光系統(tǒng)，其中，通道1 的色散長度達到了10.37 mm，通道2 的色散長度達到了15.57 mm，雙通道的光譜分辨率均達到了0.069 nm/pixel。

圖5 Offner 分光系統(tǒng)Fig. 5 Offner spectroscopic system

Offner 分光系統(tǒng)通道1 的MTF 如圖6 所示，通道2 的MTF 如圖7 所示，通道1 的點列圖如圖8 所示，通道2 的點列圖如圖9 所示（各彩圖見期刊電子版）。

圖6 通道1 MTF 曲線圖Fig. 6 MTF image of channel 1

圖7 通道2 MTF 曲線圖Fig. 7 MTF image of channel 2

圖8 通道1 點列圖Fig. 8 Spot diagram of channel 1

由圖6～圖9 可知，兩個通道的光束經(jīng)Offner 分光系統(tǒng)成像后，在27.8 lp/mm 奈奎斯特頻率下，MTF 均優(yōu)于0.75，RMS 均優(yōu)于9 μm，具有良好的成像質(zhì)量。

圖9 通道2 點列圖Fig. 9 Spot diagram of channel 2

3.4 整體系統(tǒng)設(shè)計

將望遠鏡與Offner 分光系統(tǒng)對接后，為了便于探測器安裝，在兩個通道的像面前分別加入兩塊折轉(zhuǎn)鏡，將兩個通道的像沿著相反的方向折轉(zhuǎn)。最終得到了如圖10 所示的超光譜分辨率紫外雙通道共光路成像光譜儀。

圖10 本文成像光譜儀結(jié)構(gòu)圖Fig. 10 Structure diagram of the proposed imaging spectrometer

成像光譜儀整體通道1 的MTF 如圖11 所示，通道2 的MTF 如圖12 所示，通道1 的RMS圖如圖13 所示，通道2 的RMS 圖如圖14 所示（各彩圖見期刊電子版）。

圖11 成像光譜儀整體通道1 的MTF 曲線圖Fig. 11 MTF image of overall channel 1 in imaging spectrometer

圖12 成像光譜儀整體通道2 的MTF 曲線圖Fig. 12 MTF image of overall channel 2 in imaging spectrometer

圖13 成像光譜儀整體通道1 的點列圖Fig. 13 Spot diagram of overall channel 1 in imaging spectrometer

圖14 成像光譜儀整體通道2 的點列圖Fig. 14 Spot diagram of overall channel 2 in imaging spectrometer

由圖11～圖14 可知，前置望遠鏡和后置光譜儀對接后的成像光譜儀，在奈奎斯特頻率為27.8 lp/mm 時，雙通道的MTF 均高于0.8，RMS均小于9 μm，滿足成像質(zhì)量要求。整體系統(tǒng)最終達到的設(shè)計指標參數(shù)如表2 所示

表2 系統(tǒng)最終的設(shè)計參數(shù)Tab.2 Final design parameters of the system

4 結(jié) 論

Offner 結(jié)構(gòu)的光譜儀雖然具有小F 數(shù)、長狹縫的優(yōu)點，但是在實際應(yīng)用中，面對多光譜通道的探測需求時，一般需要多臺光譜儀去完成，空間應(yīng)用體積與重量較大。針對這個問題，本文設(shè)計了一種超光譜分辨率紫外雙通道共光路成像光譜儀， 通過初始結(jié)構(gòu)的選型、狹縫離軸量與光柵周期的計算，獲得了改進型雙通道Offner 光譜儀的初始結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)可在一臺Offner 光譜儀具有超光譜分辨率的同時還可對兩個光譜通道進行探測，其相比于傳統(tǒng)的Offner 結(jié)構(gòu)，具有小型化、輕量化的優(yōu)點。調(diào)整Offner 分光系統(tǒng)的狹縫離軸量與光柵周期，引入彎月透鏡，對系統(tǒng)進行了逐步優(yōu)化。最終成像光譜儀通道1 光譜范圍為280～300 nm、通道2 光譜范圍為370～400 nm，兩個通道都具有優(yōu)于 0.1 nm 超光譜分辨率，實現(xiàn)了9.5°視場、F#3.8 的技術(shù)指標。兩個通道的MTF 均優(yōu)于0.8，RMS 均小于9 μm，滿足應(yīng)用需求，為Offner 成像光譜儀提供了雙通道一體化的設(shè)計方案。