大视场小F数同轴Offner结构热红外光谱仪的设计

张 营，丁学专，杨 波，刘银年



大视场小F数同轴Offner结构热红外光谱仪的设计

张 营，丁学专，杨 波，刘银年

（中科院上海技术物理研究所，上海 200083）

热红外成像光谱仪广泛应用于工业研究、环境监测以及自然资源探测等多个领域。随着大面阵红外探测器技术的发展，大视场大相对孔径热红外光谱仪已成为遥感领域新的发展方向。本文介绍了一种基于凸面光栅的同轴Offner结构，对常规Offner结构进行改进，仅使用一块大凹面反射镜，在凸面光栅的位置插入带有负像散的校正透镜。设计验证结果表明，这种结构在热红外波段具有非常优异的表现，较传统Offner结构能实现更大的视场，更小的F数。最后利用这种结构设计了60mm狭缝视场，F数为2的热红外光谱仪，其成像弥散斑直径小于5mm，MTF达到衍射极限。该热红外光谱仪系统结构紧凑，非常适合航天航空遥感的应用。

热红外光谱仪；超大视场；Offner结构

0 引言

高光谱成像技术的重大意义已经得到公认，相对于可见近红外和短波红外，热红外高光谱成像仪又有其自身独特的优势。一方面，热红外成像探测技术能反演地物的温度与发射率信息；另一方面，热红外波段的发射率光谱混合具有线性混合的特点，光谱解混难度相对较小。因此，热红外成像光谱仪可以广泛应用于矿产资源探测、化学气体探测、军事伪装目标识别以及环境灾害监测等领域[1]。然而，我国可见近红外成像光谱技术虽已实现业务化运行，短波红外也日渐成熟，但在热红外谱段仍只有个别机构刚开始研究，与国际上热红外高光谱成像技术的差别较大[2]。

在热红外波段，自然界常温物体的辐射能量较弱，其辐照度约为同等光谱带宽下可见光波段的几十分之一，加之红外探测器灵敏度低且噪声电压高，这就对成像仪的相对孔径提出更高的要求[3]。相对孔径越大即F数小，仪器的集光能力就越强。另外，要实现短的回访周期，提高观测的时间分辨率，就需要大的视场覆盖宽度。随着探测器技术的发展，大面阵红外探测器已具备工程性应用的条件。拼接而成的2000像元短波红外面阵探测器已经成功应用于型号项目当中[4]，面阵长波红外探测器实验室技术也已日趋成熟，迫切需要尽早转化成工程应用。因此，宽视场小F数热红外高光谱成像仪成为研究目标。

基于Offner结构的精细分光子系统和其他分光系统相比，具有低畸变、高像质的优势，并且结构简单可靠。但传统的Offner结构由于设计的自由度较少，很难完成大视场小F数系统的像质校正要求。本文在设计大视场小F数的热红外系统时，对传统Offner结构进行改进，在凸面光栅的位置插入同心带有负像散的校正透镜，并且反射镜仅使用一块大凹面镜的上下两部分。利用该结构设计的视场狭缝长度60mm，F数为2的热红外光谱仪系统获得了非常好的成像质量，各视场弥散斑半径均小于5mm，MTF达到衍射极限，光谱弯曲优于1mm，光谱畸变优于10mm。另外，整个系统为同轴系统，大大降低热红外系统的装调难度。

1 设计思想

Offner成像系统是一种同心三反射光学系统，整个系统由两个同心球面反射镜组成，结构十分紧凑，并且具有良好的光学特性。当孔径光阑位于第二反射镜上时，系统存在一个细环形视场，满足同心光学系统理想成像条件[5]。20世纪70年代，Thevenon首先建议用凸面衍射光栅代替第二反射镜，得到了基于Offner成像系统的光谱分光成像系统。该系统仅由一块大凹面反射镜和一块凸面光栅组成，如图1所示。然而，这种结构的系统存在一定的像散或慧差[6-7]。

图1 同心Offner光谱仪结构（一）

1999年，M. P. Chrisp等对系统进行了改进，把大凹面反射镜换成两个小凹面反射镜[8]，如图2所示，可以通过改变两反射镜的半径和离轴量来增加设计的自由度，优化之后可以有效消除像散。但是系统变为离轴结构，装调难度增大。

第一种Offner结构为同轴系统，应用于热红外波段有优势，对其进行改进，在凸面光栅附近插入带有负像散且弯向像平面的校正透镜，结构如图3所示，入射光束前后两次经过校正透镜，用来校正由于入射高度和相对孔径增大引起的像差，有效减小系统中的像散，提高了光谱仪的相对孔径和成像质量。另外，狭缝边缘视场的光线到达校正透镜的入射角明显大于中心视场光线到达校正透镜的入射角，而入射角越大偏转角就越大，偏转角越大朝向短波长方向移动的距离也就越大，这正好与光谱弯曲方向相反，从而相互抵消，因此这种结构的光谱仪可以使仪器光谱弯曲非常小。

图2 离轴Offner光谱仪结构（二）

图3 改进型同轴Offner光谱仪结构（三）

2 设计结果

本文设计的热红外光谱仪系统技术指标参数如下所示：

波段范围：8～12.5mm

入射狭缝长度：60mm

F数：2

色散宽度：2.6mm

谱线弯曲：＜1mm

光谱畸变：＜10mm

系统总长：＜280mm

分别采用第1章介绍的3种Offner结构作为初始结构，结构（三）中的校正透镜选用锗材料，这种材料折射率较大，有利于校正像差。在光学设计软件中将工作波长设置为8.0～12.5mm，物方数值孔径设置为0.25，狭缝视场设置为0，±5mm，…，±30mm。将基于质心的RMS弥散斑大小作为缺省的优化评价函数，并且在优化过程中对线色散、光谱畸变和光谱弯曲进行额外的限制。针对性的调整约束条件和优化函数，逐步提高像质。最终3种结构在中心波长10mm处各视场的弥散斑半径值如表1所示。

表1 不同结构各视场弥散斑半径值（10mm处）

工程应用一般要求设计阶段系统弥散斑直径小于1/2个像元，以像元大小30mm的热红外探测器为例，即要求系统弥散斑直径小于15mm。由表1可以看出，结构（一）和结构（二）均只能满足视场狭缝小于20mm系统的要求，只有结构（三）在60mm视场狭缝范围内弥散斑直径均小于15mm，并且弥散斑并没有随视场的增大而增大，说明只要在校正透镜能承受的范围内增大视场，系统的像差都能得到很好的校正。最终利用结构（三）优化所得的光谱仪光路图如图4所示，系统仅由一块大凹面反射镜，一块校正透镜和凸面光栅3个共轴光学元件组成，视场为60mm，F数为2，后截距大于40mm，保障了工程化的应用需求。

3 像质评价

任何一个实际的光学系统都不可能成理想像，因此就存在一个光学系统成像质量优劣的评价问题。本文从弥散斑、调制传递函数MTF、光谱弯曲以及光谱畸变等方面对所设计的光学系统进行评价。

3.1 弥散斑

本文所设计的光谱仪系统，在波长8mm、10mm及12.5mm处，各视场成像的弥散斑半径值如表2所示，中心波长弥散斑图如图5所示。可以看出，各个视场弥散斑的半径均小于5mm，小于1/2个像元大小，远小于系统的衍射极限（图中圆圈代表系统的衍射极限），说明系统像差得到了很好的校正。

图4 长狭缝小F数同轴Offner光谱仪光路图

表2 全波段全视场弥散斑半径值

图5 系统各视场弥散斑图（10mm处）

3.2调制传递函数

调制传递函数MTF是评价系统成像质量的另一个重要指标，光学传递函数既与光学系统的像差有关，又与光学系统的衍射效果有关，用它来评价光学系统的成像质量，具有客观和可靠的优点。图6显示的是该光谱仪系统中心波长10mm处，(0, 0)、(±15mm, 0)、(±30mm, 0)各视场的MTF曲线，MTF值达到0.55@17lp/mm。从图中可以看出，各视场的MTF曲线与衍射极限曲线几乎重合，而且子午和弧矢方向的MTF相差极小几乎可以忽略，这也验证了负校正透镜很好消除了原始系统中固有的正像散。

图6 系统各视场MTF图（10mm处）

3.3 光谱弯曲和光谱畸变

光谱弯曲和光谱畸变是考核光谱成像系统的重要指标，特别对于大视场的光谱仪器来说，这两项指标更是考核的重中之重。光谱弯曲指的是直线目标的不同波长的像与直线的偏离程度，光谱畸变指的是成像目标的不同波长图像间像高的偏离程度。光谱弯曲通常是因为分光器件对成像目标不同位置的光谱色散率不一致，而光谱畸变产生的原因一般为系统对成像目标不同波长的放大率不一致。两者均给成像光谱数据的处理及应用带来困难[9]。

Offner凸面光栅成像光谱仪和平面光栅或凹面光栅结构的成像光谱仪相比，由于光栅的凸面表面可以使来自狭缝上各点的成像光线照射到光栅的入射角基本相等，从而大大降低了系统的光谱弯曲。图7和图8分别是系统的谱线弯曲曲线和光谱畸变曲线，横坐标为归一化视场，纵坐标为系统相应视场的光谱实际成像位置与理想成像位置的差值。从图7中可以看出，在整个60mm的宽度内，光谱弯曲均小于1mm，最大值在边缘视场处，为0.85mm，折算成探测器像元尺寸不足3%，满足使用要求。另外可以看出，光谱弯曲的值随波长的延长而减小。从图8中可以看出，30mm视场内光谱畸变值小于5mm，60mm的视场内光谱畸变值小于10mm，小于1/3个像元，满足使用要求。

图7 光谱弯曲曲线

图8 光谱畸变曲线

Fig.8 The line of spectral distortion

4 结论

本文设计的大视场小F数热红外光谱仪，采用的是改进型的Offner结构，在凸面光栅位置插入带有负像散的校正透镜，消除了系统中的固有正像散，使系统获取了非常好的成像质量，并且整个系统为同轴结构，大大降低了热红外光学系统的装调检测难度。系统在全波段全视场范围内弥散斑直径均小于5mm，MTF达到衍射极限，光谱弯曲优于1mm，光谱畸变优于10mm。该热红外光谱仪系统结构紧凑，稳定性好，适合航天航空遥感仪器的应用。

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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.

张营（1988-），女，安徽桐城人，博士生，研究方向为光学设计、红外光学系统。E-mail：ahuzying@126.com。

国家863计划（2014AA123202）。