輕小型寬譜段紫外高光譜成像儀光學系統設計

張宗存，丁學專，楊 波，劉銀年

輕小型寬譜段紫外高光譜成像儀光學系統設計

張宗存1,2，丁學專1，楊 波1，劉銀年1,2

（1.中國科學院紅外探測與成像技術重點實驗室，中國科學院上海技術物理研究所，上海 200083；2.中國科學院大學，北京 100049）

覆蓋“日盲”紫外到近紫外波段的光學材料少，增加了小F數、大視場寬譜段紫外高光譜成像儀設計的難點。本文僅采用熔融石英和氟化鎂兩種材料，設計了一套寬譜段紫外高光譜成像儀，光譜范圍為250～400 nm，焦距15 mm，F數3.2，視場31°。系統實現了模塊化設計，前置成像鏡頭和后接光譜儀可獨立成像。為保證對接后高光譜成像儀具有較好的像質，紫外鏡頭采用像方遠心設計；光譜儀采用Offner結構，且反射鏡實現了一體化設計，由兩個元件組成，可實現同軸安裝，極大降低了裝調難度。對接后紫外高光譜成像儀像質較好，系統結構緊湊，外形尺寸僅有128 mm×60 mm×60 mm，實現了系統輕小型化設計。

高光譜成像儀；寬譜段紫外；輕小型化；模塊化

0 引言

高光譜成像儀在傳統幾何成像的基礎上，將成像輻射波段劃分為更狹窄的成百上千個譜段，同時對目標進行成像，獲取目標的成百上千幅不同譜段圖像。它集相機、輻射計和光譜儀于一體，可同時獲取目標的幾何、輻射和光譜信息，在目標識別方面具有類似“指紋”識別的效果。

近年來，高光譜成像技術在精細農業、城市規劃、環境生態、減災防災以及國土資源系統監測等領域得到了廣泛應用[1]，波段逐漸由可見-短波紅外波段向熱紅外和紫外波段延拓。

紫外波段范圍為10～400 nm，其中波長范圍10～200 nm為真空紫外波段；200～300 nm稱為“日盲”紫外；300～400 nm稱為近紫外波段或可見盲紫外，是紫外波段僅有的大氣窗口，目標探測重要波段。

目前，紫外探測技術已廣泛應用于工農業生產、科學探索、環境監測等領域，并受到各國廣泛關注，國外紫外探測的主要應用為：大氣臭氧含量監測、海洋溢油污染監測、公安偵查、電力巡線等領域[2-3]。

傳統工業紫外鏡頭為實現小F數、大視場，多采用非像方遠心設計，極大地降低了紫外高光譜成像儀像質。本文僅采用氟化鈣（CaF2）和熔融石英（F_SILICA）玻璃透鏡設計了一套波段250～400 nm，焦距15 mm，F數3.2，視場31°的低成本像方遠心物鏡；同時設計了反射鏡一體化光譜儀，可實現同軸安裝，極大地降低了裝調檢測難度；模塊化紫外高光譜成像儀集成后像質較好，工程可實現性高。

1 紫外成像光譜儀結構形式

1.1 紫外物鏡結構形式

紫外物鏡是成像光譜儀系統重要的集光模塊，可大幅提高系統目標探測距離與探測視場。現階段主要的結構形式有反射型和透射型兩種形式。反射型結構不受材料限制，可以實現寬譜段成像探測[4]，但視場一般小于20°，不利于地面大幅寬成像觀測，且不容易實現輕小型化設計。透射式結構主要應用于250～400nm紫外波段，相比反射式結構盡管造成一定的光學損耗，但其高聚光性能、大視場、同軸輕小型化優勢，滿足于現階段大視場對地觀測需求。可工程化應用的高透過率紫外透射材料較少，且需保證像方遠心成像，以保證成像光譜儀優良性能，這給系統像質優化帶來困難。為保證像質同時兼顧大視場成像鏡頭多為大F數鏡頭，如UV-100鏡頭F數為5.6，且不滿足高光譜成像物鏡像方遠心的要求，嚴重影響成像光譜儀最終成像性能，空間分辨率，光譜分辨率大幅降低。

1.2 紫外光譜儀常見分光方式

為保證紫外光譜成像儀系統具有較高的光學效率，主要分光方式為反射衍射光柵方式，較為典型的是基于超環面光柵分光和凸面閃耀光柵分光。

基于超環面光柵分光紫外光譜儀，結構簡單，光學效率高，但系統F數通常較大，不小于5[5-6]，不利于像面照度提高，通常被用于遠紫外波段光譜探測。基于凸面閃耀光柵的Offner光譜儀，其像差校正自由度參量較傳統平面、凹面閃耀光柵光譜儀增多，像差校正能力強，可實現小F數設計，大幅度提高了光譜儀像面照度，同時大幅縮小了外形重量與體積，有利于實現輕小型化設計。

2 寬譜段紫外高光譜成像儀設計原理

寬譜段像方遠心物鏡可用透鏡材料較少，主要是熔融石英、氟化鎂、氟化鈣，因此，影響物鏡成像質量的主要是色差。此外，隨著相對孔徑及視場的增大，系統軸外像差的影響變得比較嚴重，初級像差與光闌位置存在以下關系[7-8]：

式中：＝p*－p，由上述關系式可知，光闌位置變化對軸外視場引入像差起到調控作用，配合光闌位置優化選擇可將軸外像差降到最低。

單個薄透鏡軸上位置色差可通過色差公式計算：

對于由兩種透鏡材料組成的多透鏡系統色差可表示為：

若實現消色差，則有：

由消色差公式可以看出，通過合理的光焦度分配及透鏡個數分配，可將軸上色差降到最低。

紫外光譜成像儀采用Offner結構形式，對于凸面光柵子午面上的離軸物點經反射光柵所成的像滿足以下羅蘭條件：

弧矢面上所成的像滿足：

式中：、￠分別為羅蘭光柵的入射角與衍射角；為入射參考光線與凸面光柵的交點到入射光線與羅蘭圓交點的距離；M￠、S￠分別為入射參考光線與凸面光柵的交點到子午像點、弧矢像點的距離。得出子午面內得到良好像質的條件是：每個反射鏡或光柵的物點像點都位于其羅蘭圓上時，系統消彗差。

借助于Solidworks軟件，分析了當兩塊反射鏡的曲率相同且一體化時，是否滿足羅蘭條件，由分析圖（圖1）可知：盡管0與點不重合，但是依然滿足經反射鏡A的像點與反射鏡B的物點均位于羅蘭圓上，同時光柵與反射鏡同軸。

圖1 一體反射鏡羅蘭條件原理圖

3 寬譜段紫外高光譜成像儀設計

基于現有的像元大小14mm×14mm，面陣大小640×480紫外探測器，設計了一套波段覆蓋“日盲”紫外到近紫外的寬譜段高光譜成像儀。系統具體設計指標如表1所示。

表1 寬譜段紫外高光譜成像儀設計指標

3.1 寬譜段像方遠心物鏡設計

紫外成像物鏡設計參數如表2所示，為保證光學效率不低于70%，鏡片數不超過7片，僅采用熔融石英與氟化鎂兩種材料，根據紫外物鏡設計原理分析結果，利用ZEMAX軟件進行設計仿真，通過光闌位置，各鏡片光焦度分配設計出了一套像質優良的像方遠心物鏡，光路及像質如圖2所示。

3.2 光譜儀設計

表3為光譜儀具體設計參數，采用Offner結構形式，根據一體化反射鏡羅蘭條件分析，設計中將兩塊反射鏡曲率半徑設計為相同，同時，保證反射鏡位于同一平面內，實現一體化，圖3為光譜儀光路及像質評價圖。

表2 像方遠心物鏡設計參數

圖2 像方遠心成像紫外物鏡光路及像質

表3 光譜儀設計參數

圖3 紫外光譜儀設計光路及像質

3.3 紫外高光譜成像儀系統像質分析

寬譜段紫外高光譜成像儀模塊化對接像質分析是檢驗系統模塊化設計效果好壞的試金石。

圖4為模塊化集成成像光譜儀光路及波段最差像質評價圖，光學系統尺寸為128 mm×60 mm×60 mm。隨著視場增大，成像光譜儀傳遞函數MTF大幅降低，彌散斑半徑呈增大趨勢，位于譜段兩端的像質影響最大，圖4列出了最差像質評價圖，從圖中可以看出：波段最大彌散斑半徑RMS為5.4mm，小于1/2像元；MTF最小值大于0.52@35.8 LP/mm，滿足設計指標要求。

4 紫外光譜成像儀信噪比分析

信噪比是儀器性能評估的重要指標，信噪比計算公式為：

式中：read為電路讀出噪聲。

假定“日盲”紫外至近紫外波段地面反射率為0.3；電路讀出噪聲電子數read為35；探測器像元大小為14mm×14mm；單個透鏡鍍膜后透過率為0.95；反射鏡反射率為0.95；代入信噪比計算公式，并作圖信噪比-波長曲線如圖5所示。

圖4 高光譜成像儀光路及像質

從圖5高光譜成像儀波段信噪比曲線可以看出，光譜采樣間隔為1.2 nm時，紫外波段大氣窗口波段290～400nm，信噪比高于100，滿足被動高光譜探測設計要求；受“日盲”紫外波段地面輻照度低的影響，最小信噪比優于65，信噪比已達到目標圖譜探測信噪比要求，可通過降低光譜采樣間隔，即光譜維雙通道合并，或者增加主動光源以實現更高信噪比高光譜探測。

圖5 寬譜段紫外高光譜成像儀波段信噪比曲線

5 結論

本文設計了一套波段覆蓋“日盲”紫外至近紫外寬譜段紫外高光譜成像儀，波段250～400nm，焦距15 mm，F數為3.2，視場31°，光譜分辨率為1.2nm。設計優勢在于：透鏡材料僅采用氟化鎂和熔融石英兩種材料，材料來源廣且成本低；模塊化設計，前置物鏡與光譜儀可獨立理想成像；物鏡采用像方遠心設計，極大地降低了傳統非像方遠心物鏡對成像光譜儀像質的影響；光譜儀一體化設計，使得同軸兩鏡裝調檢測代替離軸三鏡裝調檢測，降低了元件加工裝調難度，提高了系統裝調效率；輕小型化設計，拓寬了高光譜成像儀的平臺適用范圍。最后，結合實際應用，對系統波段信噪比進行了分析，驗證了寬譜段紫外高光譜成像儀設計的可行性。

[1] 王建宇, 舒嶸, 劉銀年, 等. 成像光譜技術導論[M]. 北京: 科學出版社, 2011.

WANG Jianyu, SHU Rong, LIU Yinnian, et al.[M]. Beijing: Science press, 2011.

[2] 李四海. 海上溢油遙感探測技術及其應用進展[C]//遙感信息, 2004：53-56.

LI Sihai. The technology and application of oil spill remote sensing at sea[C]//, 2004: 53-56.

[3] 劉懿. 基于千兆以太網的紫外成像光譜關鍵技術研究[D]. 上海: 中國科學院上海技術物理研究所, 2014.

LIU Yi. Study on ultraviolet imaging spectrometer based on gigabit Ethernet[D]. Shanghai: Technological Physics China Academy of Sciences, 2014.

[4] 郝愛花, 胡炳樑, 白加光, 等. 大視場寬譜段高分辨率分波段機載紫外-可見光成像光譜儀設計[J]. 光譜學與光譜分析, 2013, 33(12): 3432-3436.

HAO Aihua, HU Binliang, BAI Jiaguang, et al. Design of high resolution sub band ultraviolet visible imaging spectrometer with wide field of view and wide spectrum[J]., 2013, 33(12): 3432-3436.

[5] 薛慶生, 王淑榮. 基于超環面均勻線距光柵的成像光譜儀優化設計研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2013, 33(5): 1433-1437.

XUE Qingsheng, WANG Shurong. Optimum design of imaging spectrometer based on Toroidal uniform-line-spaced (TULS) spectrometer[J]., 2013, 33(5): 1433-1437.

[6] 叢海芳, 王春暉, 王宇. 寬波段高分辨率小型紫外成像光譜儀光學系統研究[J]. 光譜學與光譜分析, 2013, 33(2): 562-566.

CONG Haifang, WANG Chunhui, WANG Yu. Study on an optical system of small ultraviolet imaging spectrometer with high resolution in broadband[J]., 2013, 33(2): 562-566.

[7] 李曉彤, 岑兆豐. 幾何光學像差光學設計[M]. 杭州: 浙江大學出版社, 2014.

LI Xiaotong, CEN Zhaofeng.,[M]. Hangzhou: Zhejiang University Press, 2014.

[8] 楊波. 寬幅高光譜成像光學技術研究[D]. 上海: 中國科學院上海技術物理研究所, 2011.

YANG Bo. Wide high-spectral imaging technology[D]. Shanghai: Technological Physics China Academy of Sciences, 2011.

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.

張宗存（1987-），男，山東沂水人，博士研究生，研究方向為紅外系統設計、光學系統設計。E-mail：zongcunzhang2015@163.com。

劉銀年（1971-），男，甘肅武威人，研究員，博士生導師，主要從事紅外高光譜光電遙感技術研究。E-mail：ynliu@mail.sitp.ac.cn。

國家“863”計劃資助項目（2014AA123202）。