張 營，丁學(xué)專，楊 波，劉銀年

?

大視場小F數(shù)同軸Offner結(jié)構(gòu)熱紅外光譜儀的設(shè)計

張 營，丁學(xué)專，楊 波，劉銀年

（中科院上海技術(shù)物理研究所，上海 200083）

熱紅外成像光譜儀廣泛應(yīng)用于工業(yè)研究、環(huán)境監(jiān)測以及自然資源探測等多個領(lǐng)域。隨著大面陣紅外探測器技術(shù)的發(fā)展，大視場大相對孔徑熱紅外光譜儀已成為遙感領(lǐng)域新的發(fā)展方向。本文介紹了一種基于凸面光柵的同軸Offner結(jié)構(gòu)，對常規(guī)Offner結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，僅使用一塊大凹面反射鏡，在凸面光柵的位置插入帶有負(fù)像散的校正透鏡。設(shè)計驗證結(jié)果表明，這種結(jié)構(gòu)在熱紅外波段具有非常優(yōu)異的表現(xiàn)，較傳統(tǒng)Offner結(jié)構(gòu)能實現(xiàn)更大的視場，更小的F數(shù)。最后利用這種結(jié)構(gòu)設(shè)計了60mm狹縫視場，F(xiàn)數(shù)為2的熱紅外光譜儀，其成像彌散斑直徑小于5mm，MTF達(dá)到衍射極限。該熱紅外光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，非常適合航天航空遙感的應(yīng)用。

熱紅外光譜儀；超大視場；Offner結(jié)構(gòu)

0 引言

高光譜成像技術(shù)的重大意義已經(jīng)得到公認(rèn)，相對于可見近紅外和短波紅外，熱紅外高光譜成像儀又有其自身獨特的優(yōu)勢。一方面，熱紅外成像探測技術(shù)能反演地物的溫度與發(fā)射率信息；另一方面，熱紅外波段的發(fā)射率光譜混合具有線性混合的特點，光譜解混難度相對較小。因此，熱紅外成像光譜儀可以廣泛應(yīng)用于礦產(chǎn)資源探測、化學(xué)氣體探測、軍事偽裝目標(biāo)識別以及環(huán)境災(zāi)害監(jiān)測等領(lǐng)域[1]。然而，我國可見近紅外成像光譜技術(shù)雖已實現(xiàn)業(yè)務(wù)化運行，短波紅外也日漸成熟，但在熱紅外譜段仍只有個別機(jī)構(gòu)剛開始研究，與國際上熱紅外高光譜成像技術(shù)的差別較大[2]。

在熱紅外波段，自然界常溫物體的輻射能量較弱，其輻照度約為同等光譜帶寬下可見光波段的幾十分之一，加之紅外探測器靈敏度低且噪聲電壓高，這就對成像儀的相對孔徑提出更高的要求[3]。相對孔徑越大即F數(shù)小，儀器的集光能力就越強(qiáng)。另外，要實現(xiàn)短的回訪周期，提高觀測的時間分辨率，就需要大的視場覆蓋寬度。隨著探測器技術(shù)的發(fā)展，大面陣紅外探測器已具備工程性應(yīng)用的條件。拼接而成的2000像元短波紅外面陣探測器已經(jīng)成功應(yīng)用于型號項目當(dāng)中[4]，面陣長波紅外探測器實驗室技術(shù)也已日趨成熟，迫切需要盡早轉(zhuǎn)化成工程應(yīng)用。因此，寬視場小F數(shù)熱紅外高光譜成像儀成為研究目標(biāo)。

基于Offner結(jié)構(gòu)的精細(xì)分光子系統(tǒng)和其他分光系統(tǒng)相比，具有低畸變、高像質(zhì)的優(yōu)勢，并且結(jié)構(gòu)簡單可靠。但傳統(tǒng)的Offner結(jié)構(gòu)由于設(shè)計的自由度較少，很難完成大視場小F數(shù)系統(tǒng)的像質(zhì)校正要求。本文在設(shè)計大視場小F數(shù)的熱紅外系統(tǒng)時，對傳統(tǒng)Offner結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)，在凸面光柵的位置插入同心帶有負(fù)像散的校正透鏡，并且反射鏡僅使用一塊大凹面鏡的上下兩部分。利用該結(jié)構(gòu)設(shè)計的視場狹縫長度60mm，F(xiàn)數(shù)為2的熱紅外光譜儀系統(tǒng)獲得了非常好的成像質(zhì)量，各視場彌散斑半徑均小于5mm，MTF達(dá)到衍射極限，光譜彎曲優(yōu)于1mm，光譜畸變優(yōu)于10mm。另外，整個系統(tǒng)為同軸系統(tǒng)，大大降低熱紅外系統(tǒng)的裝調(diào)難度。

1 設(shè)計思想

Offner成像系統(tǒng)是一種同心三反射光學(xué)系統(tǒng)，整個系統(tǒng)由兩個同心球面反射鏡組成，結(jié)構(gòu)十分緊湊，并且具有良好的光學(xué)特性。當(dāng)孔徑光闌位于第二反射鏡上時，系統(tǒng)存在一個細(xì)環(huán)形視場，滿足同心光學(xué)系統(tǒng)理想成像條件[5]。20世紀(jì)70年代，Thevenon首先建議用凸面衍射光柵代替第二反射鏡，得到了基于Offner成像系統(tǒng)的光譜分光成像系統(tǒng)。該系統(tǒng)僅由一塊大凹面反射鏡和一塊凸面光柵組成，如圖1所示。然而，這種結(jié)構(gòu)的系統(tǒng)存在一定的像散或慧差[6-7]。

圖1 同心Offner光譜儀結(jié)構(gòu)（一）

1999年，M. P. Chrisp等對系統(tǒng)進(jìn)行了改進(jìn)，把大凹面反射鏡換成兩個小凹面反射鏡[8]，如圖2所示，可以通過改變兩反射鏡的半徑和離軸量來增加設(shè)計的自由度，優(yōu)化之后可以有效消除像散。但是系統(tǒng)變?yōu)殡x軸結(jié)構(gòu)，裝調(diào)難度增大。

第一種Offner結(jié)構(gòu)為同軸系統(tǒng)，應(yīng)用于熱紅外波段有優(yōu)勢，對其進(jìn)行改進(jìn)，在凸面光柵附近插入帶有負(fù)像散且彎向像平面的校正透鏡，結(jié)構(gòu)如圖3所示，入射光束前后兩次經(jīng)過校正透鏡，用來校正由于入射高度和相對孔徑增大引起的像差，有效減小系統(tǒng)中的像散，提高了光譜儀的相對孔徑和成像質(zhì)量。另外，狹縫邊緣視場的光線到達(dá)校正透鏡的入射角明顯大于中心視場光線到達(dá)校正透鏡的入射角，而入射角越大偏轉(zhuǎn)角就越大，偏轉(zhuǎn)角越大朝向短波長方向移動的距離也就越大，這正好與光譜彎曲方向相反，從而相互抵消，因此這種結(jié)構(gòu)的光譜儀可以使儀器光譜彎曲非常小。

圖2 離軸Offner光譜儀結(jié)構(gòu)（二）

圖3 改進(jìn)型同軸Offner光譜儀結(jié)構(gòu)（三）

2 設(shè)計結(jié)果

本文設(shè)計的熱紅外光譜儀系統(tǒng)技術(shù)指標(biāo)參數(shù)如下所示：

波段范圍：8～12.5mm

入射狹縫長度：60mm

F數(shù)：2

色散寬度：2.6mm

譜線彎曲：＜1mm

光譜畸變：＜10mm

系統(tǒng)總長：＜280mm

分別采用第1章介紹的3種Offner結(jié)構(gòu)作為初始結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)（三）中的校正透鏡選用鍺材料，這種材料折射率較大，有利于校正像差。在光學(xué)設(shè)計軟件中將工作波長設(shè)置為8.0～12.5mm，物方數(shù)值孔徑設(shè)置為0.25，狹縫視場設(shè)置為0，±5mm，…，±30mm。將基于質(zhì)心的RMS彌散斑大小作為缺省的優(yōu)化評價函數(shù)，并且在優(yōu)化過程中對線色散、光譜畸變和光譜彎曲進(jìn)行額外的限制。針對性的調(diào)整約束條件和優(yōu)化函數(shù)，逐步提高像質(zhì)。最終3種結(jié)構(gòu)在中心波長10mm處各視場的彌散斑半徑值如表1所示。

表1 不同結(jié)構(gòu)各視場彌散斑半徑值（10mm處）

工程應(yīng)用一般要求設(shè)計階段系統(tǒng)彌散斑直徑小于1/2個像元，以像元大小30mm的熱紅外探測器為例，即要求系統(tǒng)彌散斑直徑小于15mm。由表1可以看出，結(jié)構(gòu)（一）和結(jié)構(gòu)（二）均只能滿足視場狹縫小于20mm系統(tǒng)的要求，只有結(jié)構(gòu)（三）在60mm視場狹縫范圍內(nèi)彌散斑直徑均小于15mm，并且彌散斑并沒有隨視場的增大而增大，說明只要在校正透鏡能承受的范圍內(nèi)增大視場，系統(tǒng)的像差都能得到很好的校正。最終利用結(jié)構(gòu)（三）優(yōu)化所得的光譜儀光路圖如圖4所示，系統(tǒng)僅由一塊大凹面反射鏡，一塊校正透鏡和凸面光柵3個共軸光學(xué)元件組成，視場為60mm，F(xiàn)數(shù)為2，后截距大于40mm，保障了工程化的應(yīng)用需求。

3 像質(zhì)評價

任何一個實際的光學(xué)系統(tǒng)都不可能成理想像，因此就存在一個光學(xué)系統(tǒng)成像質(zhì)量優(yōu)劣的評價問題。本文從彌散斑、調(diào)制傳遞函數(shù)MTF、光譜彎曲以及光譜畸變等方面對所設(shè)計的光學(xué)系統(tǒng)進(jìn)行評價。

3.1 彌散斑

本文所設(shè)計的光譜儀系統(tǒng)，在波長8mm、10mm及12.5mm處，各視場成像的彌散斑半徑值如表2所示，中心波長彌散斑圖如圖5所示?？梢钥闯?，各個視場彌散斑的半徑均小于5mm，小于1/2個像元大小，遠(yuǎn)小于系統(tǒng)的衍射極限（圖中圓圈代表系統(tǒng)的衍射極限），說明系統(tǒng)像差得到了很好的校正。

圖4 長狹縫小F數(shù)同軸Offner光譜儀光路圖

表2 全波段全視場彌散斑半徑值

圖5 系統(tǒng)各視場彌散斑圖（10mm處）

3.2調(diào)制傳遞函數(shù)

調(diào)制傳遞函數(shù)MTF是評價系統(tǒng)成像質(zhì)量的另一個重要指標(biāo)，光學(xué)傳遞函數(shù)既與光學(xué)系統(tǒng)的像差有關(guān)，又與光學(xué)系統(tǒng)的衍射效果有關(guān)，用它來評價光學(xué)系統(tǒng)的成像質(zhì)量，具有客觀和可靠的優(yōu)點。圖6顯示的是該光譜儀系統(tǒng)中心波長10mm處，(0, 0)、(±15mm, 0)、(±30mm, 0)各視場的MTF曲線，MTF值達(dá)到0.55@17lp/mm。從圖中可以看出，各視場的MTF曲線與衍射極限曲線幾乎重合，而且子午和弧矢方向的MTF相差極小幾乎可以忽略，這也驗證了負(fù)校正透鏡很好消除了原始系統(tǒng)中固有的正像散。

圖6 系統(tǒng)各視場MTF圖（10mm處）

3.3 光譜彎曲和光譜畸變

光譜彎曲和光譜畸變是考核光譜成像系統(tǒng)的重要指標(biāo)，特別對于大視場的光譜儀器來說，這兩項指標(biāo)更是考核的重中之重。光譜彎曲指的是直線目標(biāo)的不同波長的像與直線的偏離程度，光譜畸變指的是成像目標(biāo)的不同波長圖像間像高的偏離程度。光譜彎曲通常是因為分光器件對成像目標(biāo)不同位置的光譜色散率不一致，而光譜畸變產(chǎn)生的原因一般為系統(tǒng)對成像目標(biāo)不同波長的放大率不一致。兩者均給成像光譜數(shù)據(jù)的處理及應(yīng)用帶來困難[9]。

Offner凸面光柵成像光譜儀和平面光柵或凹面光柵結(jié)構(gòu)的成像光譜儀相比，由于光柵的凸面表面可以使來自狹縫上各點的成像光線照射到光柵的入射角基本相等，從而大大降低了系統(tǒng)的光譜彎曲。圖7和圖8分別是系統(tǒng)的譜線彎曲曲線和光譜畸變曲線，橫坐標(biāo)為歸一化視場，縱坐標(biāo)為系統(tǒng)相應(yīng)視場的光譜實際成像位置與理想成像位置的差值。從圖7中可以看出，在整個60mm的寬度內(nèi)，光譜彎曲均小于1mm，最大值在邊緣視場處，為0.85mm，折算成探測器像元尺寸不足3%，滿足使用要求。另外可以看出，光譜彎曲的值隨波長的延長而減小。從圖8中可以看出，30mm視場內(nèi)光譜畸變值小于5mm，60mm的視場內(nèi)光譜畸變值小于10mm，小于1/3個像元，滿足使用要求。

圖7 光譜彎曲曲線

圖8 光譜畸變曲線

Fig.8 The line of spectral distortion

4 結(jié)論

本文設(shè)計的大視場小F數(shù)熱紅外光譜儀，采用的是改進(jìn)型的Offner結(jié)構(gòu)，在凸面光柵位置插入帶有負(fù)像散的校正透鏡，消除了系統(tǒng)中的固有正像散，使系統(tǒng)獲取了非常好的成像質(zhì)量，并且整個系統(tǒng)為同軸結(jié)構(gòu)，大大降低了熱紅外光學(xué)系統(tǒng)的裝調(diào)檢測難度。系統(tǒng)在全波段全視場范圍內(nèi)彌散斑直徑均小于5mm，MTF達(dá)到衍射極限，光譜彎曲優(yōu)于1mm，光譜畸變優(yōu)于10mm。該熱紅外光譜儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊，穩(wěn)定性好，適合航天航空遙感儀器的應(yīng)用。

[1] 劉銀年, 丁學(xué)專, 李志忠. 面向地學(xué)應(yīng)用的高光譜遙感器指標(biāo)體系設(shè)計[J]. 中國地質(zhì)大學(xué)學(xué)報, 2015, 40(8):1-2.

LIU Yinnian, DING Xuezhuan, LI Zhizhong. Design of hyperspectral imaging remote sensor’s specifications used in geoscience[J]., 2015, 40(8): 1-2.

[2] 王建宇, 李春來, 姬弘楨, 等. 熱紅外高光譜成像技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望[J]. 紅外與毫米波學(xué)報, 2015, 34(1): 51-52.

WANG Jianyu, LI Chunlai, JI Hongzhen, et al. Status and prospect of thermal infrared hyperspectral imaging technology[J]., 2015, 34(1): 51-52.

[3] 孫佳音, 劉英, 李淳, 等. Offner型與Dyson型長波紅外成像光譜儀性能對比研究[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2014, 34(10): 2-3.

SUN Jianyin, LIU Ying, LI Chun, et al. Comparative study on performances of long-wave infrared imaging spectrometers based on Offner form and Dyson form[J]., 2014, 34(10): 2-3.

[4] 楊波. 寬幅高光譜成像光學(xué)技術(shù)研究[D]. 上海: 上海技術(shù)物理研究所, 2011: 45-48.

YANG Bo. The Optical Technology of Spaceborne Hyper Spectral Imager[D]. Shanghai: Shanghai Institute of Technological Physics, 2011: 45-48.

[5] Offner A. Unit power imaging catoptric anastigmat: US, 3,748,015[P]. 1973.

[6] 佟亞軍, 吳剛, 周全, 等. Offner成像光譜儀的設(shè)計方法[J]. 光學(xué)學(xué)報, 2010, 30(4): 1149-1151.

TONG Yajun, WU Gang, ZHOU Quan, et al. Design method of Offner-type imaging spectrometer[J]., 2010, 30(4): 1149-1151.

[7] Kwo D, Lawereceg, Chrisp M. Design of a grating spectrometer from a 1:1 Offner mirror system[C]//, 1984, 818: 275-279.

[8] Chrisp M P. Convex diffracting grating imaging spectrometer: U.S., 5,880,834[P]. 1999.

[9] 王建宇, 舒嶸, 劉銀年, 等. 成像光譜技術(shù)導(dǎo)論[M]. 北京: 科學(xué)出版社, 2011: 166-167.

WANG Jianyu, SHU Rong, LIU Yinnian, et al.[M]. Beijing: Science Press, 2011: 166-167.

The Design of Coaxial Offner Thermal Infrared Spectrometer with WFOV

ZHANG Ying，DING Xuezhuan，YANG Bo，LIU Yinnian

(,,200083,)

Thermal infrared imaging spectrometer can be widely used in industrial research, environment monitoring, and detection of natural resources. With the development of large-array infrared detector, wide field and large relative aperture thermal infrared spectrometer becomes a new direction. The purpose of this paper is to introduce an improved coaxial Offner system with convex grating just with a large piece of concave reflector and inserting a correction lens with negative astigmatism in the position of the convex grating. The analysis shows this structure can realize a larger FOV and smaller Fnumber in thermal infrared band. A system with 60mm slit and F/# 2 which uses this structure gets high imaging quality, of which disc of confusion is less than 5μm and the MTF reaches diffraction limit. The compact spectrometer system is very suitable for aviation and space remote sensing applications.

thermal infrared spectrometer，super wide field of view，Offner system

O433

A

1001-8891(2016)07-0537-05

2015-12-07；

2016-03-10.

張營（1988-），女，安徽桐城人，博士生，研究方向為光學(xué)設(shè)計、紅外光學(xué)系統(tǒng)。E-mail：ahuzying@126.com。

國家863計劃（2014AA123202）。