可见近红外宽波段复消色差高光谱物镜设计

桂 立,丁学专,赵航斌,2,郝世菁,姚金军,刘银年，2，

(1.中国科学院红外探测与成像技术重点实验室,中国科学院上海技术物理研究所,上海 200083；2.中国科学院大学,北京 100049;3.中国科学院上海技术物理研究所启东光电遥感中心,江苏 启东 226200)

1 引 言

高光谱成像仪的发展要求其光学系统在宽视场和宽波段范围内有高的空间分辨率和光谱分辨率。光学系统可分为反射式和折射式。反射式与折射式相比最大的优点在于无色差,容易获得极宽的光谱范围[1-2]。但其缺点也比较明显,例如不如折射式紧凑,难以实现较大视场范围,存在中心遮拦等。折射式光学系统则比较容易满足大视场角的要求,但在折射式光学系统中,随着光谱范围的拓宽,位置色差、二级光谱成为影响成像质量的主要原因,设计时有必要着重考虑[3-4]。总的来说,对轻小型高光谱成像仪而言,折射式仍然具有很大的性能优势[5-8]。

为实现高质量的成像要求,在宽光谱段进行光学系统设计时需考虑像差校正,主要集中在物镜需要在宽光谱范围内复消色差,不仅要消除边缘光线的位置色差,还要对全谱段内的光线形成复消色差。目前,复消色差的方法主要有双胶合透镜复消色差、三片式透镜复消色差、二元光学元件复消色差等[9]。

本文的高光谱成像仪(工作波段365～1000 nm)选用折射式光学系统,在分析初级色差理论的基础上,选取了相应的玻璃材料对系统进行双胶合透镜复消色差来校正二级光谱,并对物镜进行了相关设计,最后分析其像质和成像效果,为光学物镜设计选择玻璃材料提供了重要依据。

2.初级色差及其校正

折射式光学系统的色差来源于玻璃材料对不同波长光线的折射率差异。由初级色差理论可知,薄透镜系统的位置色差系数可以表示为:

(1)

式中,M为系统中透镜的数目;φ为透镜的光焦度;ν为阿贝系数;h为光线的入射高度。在密接薄透镜系统中,可认为光线到达各个透镜的入射高度h相等。因此,密接薄透镜系统的色差仅由各个透镜的光焦度和阿贝系数决定。即可通过合理分配透镜的光焦度和选择玻璃材料实现系统初级位置色差的校正。例如设计中常采用色散小的冕牌玻璃作正透镜,色散大的火石玻璃作负透镜,并将正负透镜密接形成消色差胶合透镜[3,10]。

然而常规玻璃材料组成的双胶合透镜只能校正两种色光λ2和λ3形成的位置色差,这两种单色光形成的公共像点相对于第三种色光λ1的像点位置仍有差异,这种差异称为二级光谱[10]。在密接双透镜系统中,二级光谱的初级量可表示为:

(2)

式中,P为玻璃材料的相对色散系数,可表示为:

(3)

由式(2)可以看出,系统的二级光谱由两种玻璃材料的相对色散系数之差与阿贝系数之差共同决定。在要求校正二级光谱的光学设计中,可选用相对色散系数接近,阿贝系数相差较大的玻璃材料,紧密排布或者胶合,实现对系统二级光谱的校正。

3 光学系统设计

高光谱成像物镜设计指标如表1所示。其工作波段由365 nm至1000 nm,覆盖了完整的可见光波段和近红外波段,还包括了部分近紫外波段,属于宽波段光学系统。此外,为保证和光谱仪的光瞳匹配,物镜需设计为像方远心光路,相对孔径和光谱仪保持一致。

表1 物镜设计指标

3.1 玻璃材料的选取

由色差理论可知,选取相对色散系数接近,而阿贝系数相差较大的玻璃材料是校正色差和二级光谱的重要前提。根据物镜设计要求,光学设计时对两个边缘波长λ2和λ3校正位置色差,以中心波长λ1为参考校正二级光谱,定义:

λ1=683 nmλ2=365 nmλ3=1000 nm

选取国内部分玻璃材料,计算它们的相对色散系数P以及阿贝系数ν。其中几种代表性玻璃材料的参数如表2所示。以相对色散系数P为纵坐标,阿贝系数ν为横坐标,绘制如图1所示的玻璃材料图。

表2 几种代表性玻璃材料的色散特性

图1 P-ν玻璃分布图

由图1可以看出,CaF2晶体(萤石)和氟冕玻璃H-FK61的分布远离正常玻璃直线,能够用于校正二级光谱。但由于CaF2晶体可加工性和化学稳定性较差[10],因此在设计时考虑使用H-FK61和其他玻璃材料组合,校正系统色差和二级光谱。

3.2 物镜设计和像质评价

高光谱物镜除了需要满足较宽的波段范围之外,还需满足像方远心、反远距、大相对孔径等设计要求,设计难度较大,需要的透镜数量较多,系统初始结构无法通过简单的计算得出。选取了适当的远心镜头作为初始结构,优化时对主光线达到像面的入射角度、后截距等进行控制,并在后组中使用H-FK61玻璃校正系统二级光谱。

最终优化得到的物镜光路如图2所示。物镜由10片透镜组成,其中后组中胶合透镜和密接透镜的使用保证了光线的入射高度h相等,有利于色差的校正。

图2 光学系统

物镜仅使用了3种玻璃材料,其中透镜2和9为H-ZF2玻璃,透镜6和7为H-FK61玻璃,其余均为H-LAK6A玻璃。由图1可以看出,H-LAK6A和H-FK61的相对色散系数较为接近,而阿贝系数相差较大,这两种玻璃材料在后组的胶合使用,满足公式(2)中校正二级光谱的条件。

物镜光路总长为104.7 mm,后截距19 mm,远心度小于±1.7°,其余各项技术指标符合表1中的设计要求。图3～6给出了物镜的几种像差图。由图3所示的MTF曲线可以看出,光学系统在探测器截止频率处的MTF大于0.7,接近衍射极限。

图3 光学系统MTF

图4 弥散斑分布

图5 光线像差图

图6 色球差曲线

4 成像效果

光谱仪空间维像元大小为13 μm,空间分辨率等于0.04°,在探测器截止频率38.5 lp/mm处对比度达到0.4以上。光谱维像元大小为6.5μm,在工作波段365～1000 nm内共包含880个通道,光谱采样间隔约为0.72 nm。使用光谱仪对外景扫描成像,得到其中460 nm 、760 nm 、960 nm三个波段的光谱图像如图7所示。RGB三波段合成的彩色图如图8所示。可以看到,各个波段的成像清晰。

图7 三个波段的光谱图像

图8 RGB三波段合成的彩色图

5 结 论

基于初级色差理论,分析了可见近红外波段的玻璃材料,选用阿贝系数像差较大而相对色散系数相近的玻璃组合,设计了一款365～1000 nm波段范围内的复消色差物镜。设计结果表明,该物镜具有相对孔径大,像方远心等优点,用于高光谱成像系统中时,各个波段成像清晰,满足可见近红外波段范围内的光谱探测要求。

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