轻小型宽谱段紫外高光谱成像仪光学系统设计

张宗存，丁学专，杨 波，刘银年

轻小型宽谱段紫外高光谱成像仪光学系统设计

张宗存1,2，丁学专1，杨 波1，刘银年1,2

（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）

覆盖“日盲”紫外到近紫外波段的光学材料少，增加了小F数、大视场宽谱段紫外高光谱成像仪设计的难点。本文仅采用熔融石英和氟化镁两种材料，设计了一套宽谱段紫外高光谱成像仪，光谱范围为250～400 nm，焦距15 mm，F数3.2，视场31°。系统实现了模块化设计，前置成像镜头和后接光谱仪可独立成像。为保证对接后高光谱成像仪具有较好的像质，紫外镜头采用像方远心设计；光谱仪采用Offner结构，且反射镜实现了一体化设计，由两个元件组成，可实现同轴安装，极大降低了装调难度。对接后紫外高光谱成像仪像质较好，系统结构紧凑，外形尺寸仅有128 mm×60 mm×60 mm，实现了系统轻小型化设计。

高光谱成像仪；宽谱段紫外；轻小型化；模块化

0 引言

高光谱成像仪在传统几何成像的基础上，将成像辐射波段划分为更狭窄的成百上千个谱段，同时对目标进行成像，获取目标的成百上千幅不同谱段图像。它集相机、辐射计和光谱仪于一体，可同时获取目标的几何、辐射和光谱信息，在目标识别方面具有类似“指纹”识别的效果。

近年来，高光谱成像技术在精细农业、城市规划、环境生态、减灾防灾以及国土资源系统监测等领域得到了广泛应用[1]，波段逐渐由可见-短波红外波段向热红外和紫外波段延拓。

紫外波段范围为10～400 nm，其中波长范围10～200 nm为真空紫外波段；200～300 nm称为“日盲”紫外；300～400 nm称为近紫外波段或可见盲紫外，是紫外波段仅有的大气窗口，目标探测重要波段。

目前，紫外探测技术已广泛应用于工农业生产、科学探索、环境监测等领域，并受到各国广泛关注，国外紫外探测的主要应用为：大气臭氧含量监测、海洋溢油污染监测、公安侦查、电力巡线等领域[2-3]。

传统工业紫外镜头为实现小F数、大视场，多采用非像方远心设计，极大地降低了紫外高光谱成像仪像质。本文仅采用氟化钙（CaF2）和熔融石英（F_SILICA）玻璃透镜设计了一套波段250～400 nm，焦距15 mm，F数3.2，视场31°的低成本像方远心物镜；同时设计了反射镜一体化光谱仪，可实现同轴安装，极大地降低了装调检测难度；模块化紫外高光谱成像仪集成后像质较好，工程可实现性高。

1 紫外成像光谱仪结构形式

1.1 紫外物镜结构形式

紫外物镜是成像光谱仪系统重要的集光模块，可大幅提高系统目标探测距离与探测视场。现阶段主要的结构形式有反射型和透射型两种形式。反射型结构不受材料限制，可以实现宽谱段成像探测[4]，但视场一般小于20°，不利于地面大幅宽成像观测，且不容易实现轻小型化设计。透射式结构主要应用于250～400nm紫外波段，相比反射式结构尽管造成一定的光学损耗，但其高聚光性能、大视场、同轴轻小型化优势，满足于现阶段大视场对地观测需求。可工程化应用的高透过率紫外透射材料较少，且需保证像方远心成像，以保证成像光谱仪优良性能，这给系统像质优化带来困难。为保证像质同时兼顾大视场成像镜头多为大F数镜头，如UV-100镜头F数为5.6，且不满足高光谱成像物镜像方远心的要求，严重影响成像光谱仪最终成像性能，空间分辨率，光谱分辨率大幅降低。

1.2 紫外光谱仪常见分光方式

为保证紫外光谱成像仪系统具有较高的光学效率，主要分光方式为反射衍射光栅方式，较为典型的是基于超环面光栅分光和凸面闪耀光栅分光。

基于超环面光栅分光紫外光谱仪，结构简单，光学效率高，但系统F数通常较大，不小于5[5-6]，不利于像面照度提高，通常被用于远紫外波段光谱探测。基于凸面闪耀光栅的Offner光谱仪，其像差校正自由度参量较传统平面、凹面闪耀光栅光谱仪增多，像差校正能力强，可实现小F数设计，大幅度提高了光谱仪像面照度，同时大幅缩小了外形重量与体积，有利于实现轻小型化设计。

2 宽谱段紫外高光谱成像仪设计原理

宽谱段像方远心物镜可用透镜材料较少，主要是熔融石英、氟化镁、氟化钙，因此，影响物镜成像质量的主要是色差。此外，随着相对孔径及视场的增大，系统轴外像差的影响变得比较严重，初级像差与光阑位置存在以下关系[7-8]：

式中：＝p*－p，由上述关系式可知，光阑位置变化对轴外视场引入像差起到调控作用，配合光阑位置优化选择可将轴外像差降到最低。

单个薄透镜轴上位置色差可通过色差公式计算：

对于由两种透镜材料组成的多透镜系统色差可表示为：

若实现消色差，则有：

由消色差公式可以看出，通过合理的光焦度分配及透镜个数分配，可将轴上色差降到最低。

紫外光谱成像仪采用Offner结构形式，对于凸面光栅子午面上的离轴物点经反射光栅所成的像满足以下罗兰条件：

弧矢面上所成的像满足：

式中：、¢分别为罗兰光栅的入射角与衍射角；为入射参考光线与凸面光栅的交点到入射光线与罗兰圆交点的距离；M¢、S¢分别为入射参考光线与凸面光栅的交点到子午像点、弧矢像点的距离。得出子午面内得到良好像质的条件是：每个反射镜或光栅的物点像点都位于其罗兰圆上时，系统消彗差。

借助于Solidworks软件，分析了当两块反射镜的曲率相同且一体化时，是否满足罗兰条件，由分析图（图1）可知：尽管0与点不重合，但是依然满足经反射镜A的像点与反射镜B的物点均位于罗兰圆上，同时光栅与反射镜同轴。

图1 一体反射镜罗兰条件原理图

3 宽谱段紫外高光谱成像仪设计

基于现有的像元大小14mm×14mm，面阵大小640×480紫外探测器，设计了一套波段覆盖“日盲”紫外到近紫外的宽谱段高光谱成像仪。系统具体设计指标如表1所示。

表1 宽谱段紫外高光谱成像仪设计指标

3.1 宽谱段像方远心物镜设计

紫外成像物镜设计参数如表2所示，为保证光学效率不低于70%，镜片数不超过7片，仅采用熔融石英与氟化镁两种材料，根据紫外物镜设计原理分析结果，利用ZEMAX软件进行设计仿真，通过光阑位置，各镜片光焦度分配设计出了一套像质优良的像方远心物镜，光路及像质如图2所示。

3.2 光谱仪设计

表3为光谱仪具体设计参数，采用Offner结构形式，根据一体化反射镜罗兰条件分析，设计中将两块反射镜曲率半径设计为相同，同时，保证反射镜位于同一平面内，实现一体化，图3为光谱仪光路及像质评价图。

表2 像方远心物镜设计参数

图2 像方远心成像紫外物镜光路及像质

表3 光谱仪设计参数

图3 紫外光谱仪设计光路及像质

3.3 紫外高光谱成像仪系统像质分析

宽谱段紫外高光谱成像仪模块化对接像质分析是检验系统模块化设计效果好坏的试金石。

图4为模块化集成成像光谱仪光路及波段最差像质评价图，光学系统尺寸为128 mm×60 mm×60 mm。随着视场增大，成像光谱仪传递函数MTF大幅降低，弥散斑半径呈增大趋势，位于谱段两端的像质影响最大，图4列出了最差像质评价图，从图中可以看出：波段最大弥散斑半径RMS为5.4mm，小于1/2像元；MTF最小值大于0.52@35.8 LP/mm，满足设计指标要求。

4 紫外光谱成像仪信噪比分析

信噪比是仪器性能评估的重要指标，信噪比计算公式为：

式中：read为电路读出噪声。

假定“日盲”紫外至近紫外波段地面反射率为0.3；电路读出噪声电子数read为35；探测器像元大小为14mm×14mm；单个透镜镀膜后透过率为0.95；反射镜反射率为0.95；代入信噪比计算公式，并作图信噪比-波长曲线如图5所示。

图4 高光谱成像仪光路及像质

从图5高光谱成像仪波段信噪比曲线可以看出，光谱采样间隔为1.2 nm时，紫外波段大气窗口波段290～400nm，信噪比高于100，满足被动高光谱探测设计要求；受“日盲”紫外波段地面辐照度低的影响，最小信噪比优于65，信噪比已达到目标图谱探测信噪比要求，可通过降低光谱采样间隔，即光谱维双通道合并，或者增加主动光源以实现更高信噪比高光谱探测。

图5 宽谱段紫外高光谱成像仪波段信噪比曲线

5 结论

本文设计了一套波段覆盖“日盲”紫外至近紫外宽谱段紫外高光谱成像仪，波段250～400nm，焦距15 mm，F数为3.2，视场31°，光谱分辨率为1.2nm。设计优势在于：透镜材料仅采用氟化镁和熔融石英两种材料，材料来源广且成本低；模块化设计，前置物镜与光谱仪可独立理想成像；物镜采用像方远心设计，极大地降低了传统非像方远心物镜对成像光谱仪像质的影响；光谱仪一体化设计，使得同轴两镜装调检测代替离轴三镜装调检测，降低了元件加工装调难度，提高了系统装调效率；轻小型化设计，拓宽了高光谱成像仪的平台适用范围。最后，结合实际应用，对系统波段信噪比进行了分析，验证了宽谱段紫外高光谱成像仪设计的可行性。

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Optical System Design for Compact Wide Spectrum of Ultraviolet Hyper-spectral Imager

ZHANG Zongcun1,2，DING Xuezhuan1，YANG Bo1，LIU Yinnian1,2

(1.,,,200083,; 2.,100049,)

To design an ultraviolet imaging instrument with wide spectrum, small F number and large field of view is quite difficult due to the short of optical materials that can be used in the UV lens, especially the lens covering “solar blind” ultraviolet to near ultraviolet waveband. In this paper, a wide spectrum ultraviolet hyper-spectral imager was designed using F_SILICA and MgF2only, whose wavelength was 250-400 nm, focal length was 15 mm, F number was 3.2, and total field of view was 31 degrees. The system has modular design, which can be a big advantage for the pre imaging lens and the rear spectrometer imaging independently. Additionally, the UV lens was designed with the near image to ensure good image quality for the hyper-spectral imager. Moreover, the reflecting Offner spectrometer was integratively designed with only two elements and can be mounted in line, which largely reduced the difficulty of installation and adjusting. The system is compact and small with the size of 128 mm×60 mm×60 mm.

hyper-spectral imaging instrument，wide spectrum ultraviolet，miniaturization，modularization

TN216

A

1001-8891(2017)04-0304-05

2016-08-05；

2016-10-05.

张宗存（1987-），男，山东沂水人，博士研究生，研究方向为红外系统设计、光学系统设计。E-mail：zongcunzhang2015@163.com。

刘银年（1971-），男，甘肃武威人，研究员，博士生导师，主要从事红外高光谱光电遥感技术研究。E-mail：ynliu@mail.sitp.ac.cn。

国家“863”计划资助项目（2014AA123202）。