张 璐，李 博 ，李寒霜，顾国超，王晓旭，邵英秋，林冠宇,3，叶 新,3

（1. 中国科学院 长春光学精密机械与物理研究所, 吉林 长春 130033；2. 中国科学院大学, 北京 100049；3. 许健民气象卫星创新中心, 北京100081）

1 引 言

成像光谱仪是一种可以同时获取光谱信息与图像信息的光谱仪器，其在深空探测领域有着十分重要的作用。

国内外许多空间探测卫星都搭载了成像光谱仪。隶属于美国航空航天局（NASA）和欧洲航天局（ESA）的Cassini 卫星上搭载的VIMS-V 成像光谱仪[1-2]，可单通道成像，光谱覆盖范围为0.3～1.05 μm，光谱分辨率为2 nm；ESA 研制的Sentinel-5 搭载了5 台成像光谱仪[3-4]，其中UV1、UV2-VIS、SWIR1、SWIR3 等4 台光谱仪均为单通道的成像光谱仪，对应光谱范围分别为0.27～0.31 μm、0.3～0.5 μm、1.59～1.675 μm、2.3～2.385 μm，对应光谱分辨率分别为1、0.5、0.25、0.25 nm，NIR 仍然是单通道成像方式，通过对探测器进行区域划分形成多光谱范围的探测，光谱范围为0.685～0.71 μm、0.745～0.755 μm、0.755～0.773 μm，对应光谱分辨率全都为0.4 nm。NASA 研发的NACHOS 立方卫星上搭载的高分辨率紫外可见高光谱成像仪[5]，同样采用了单通道的成像方式，光谱范围覆盖0.29～0.5 μm，光谱分辨率为1.3 nm。

我国研制的高分5 号卫星上所搭载的可见短波红外高光谱相机AHSI[6-7]，光谱范围为0.39～2.51 μm，分为可见近红外和短波红外两个波段通道，每个波段通道都由单独的一台光谱仪成像，两台光谱仪通过视场分离的方式对接到同一台望远镜上，可见近红外光谱仪的光谱分辨率为5 nm，短波红外光谱仪的光谱分辨率为10 nm。碳卫星所搭载的二氧化碳探测仪[8-9]，采用了三台光栅光谱仪分别对中心波长在0.76 μm 的O2-A 吸收带、中心波长在1.61 μm 的弱CO2吸收带、中心波长在2.06 μm 的强CO2吸收带进行探测。通过分束器对接到同一台望远镜上，对应光谱分辨率分别为0.044、0.08、0.1 nm。中国科学院长春光学精密机械与物理研究所设计的应用于作物荧光检测的改进型Offner 光谱仪[10]，也为单通道成像，光谱范围为0.67～0.78 μm，光谱分辨率为0.3 nm。

目前国内外的成像光谱仪多数采用单通道结构，一台光谱仪只能对一个波段通道进行色散和探测，对于多个通道的探测需求，需要使用多台光谱仪来完成，导致仪器整体的光机结构较大。而且，能实现超光谱分辨率的成像光谱仪较少。可实现对目标进行精细探测和满足载荷轻量化、小型化、高度集成化需求的具有超光谱探测能力的双通道共光路成像光谱仪短缺。

针对上述问题，本文选取改进型Offner 光谱仪作为初始结构，根据大气观测波段需求，确定双通道的波段范围，利用Offner 的结构特性，计算出Offner 分光系统的初始结构，实现双通道共光路设计，同时利用弯月透镜校正像差。优化完成后的双通道共光路光谱仪成像质量良好，达到了优于0.1 nm 的超光谱分辨率。

2 技术指标

超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪通道1 主要对大气中的SO2气体污染物进行观测，波段范围为280～300 nm，通道2 主要对NO2等气体进行观测，波段范围为370～400 nm。成像光谱仪采用辰芯GSENSE4040 CMOS 探测器，像元尺寸为9 μm×9 μm，像元数为4 096×4 096，空间维和光谱维均为2 像元合并采样。光谱仪的主要技术指标要求如表1 所示。

表1 本文成像光谱仪的主要技术指标要求Tab.1 Main technical index requirements of the designed spectrometer

3 双通道共光路成像光谱仪光学系统设计

3.1 双通道Offner 分光系统设计理论

Offner 结构的光谱仪是一种应用广泛的色散型成像光谱仪，容易实现小F 数、长狭缝的设计。Offner 光谱仪有着体积小、分辨率高、容易装调的优点。

为了实现小型化，本文采用改进型Offner 系统作为初始结构，入射狭缝和两个通道的像面都在光栅上方。在此基础上，通过计算狭缝的离轴量，使狭缝恰好位于两个波段像面之间，形成双通道共光路结构。相比于入射光束和出射光束分别位于光栅上下两端的传统Offner 系统，改进型Offner 系统只使用了一半的弯月透镜和反射镜。将改进型Offner 系统作为初始结构设计的双通道Offner 系统不仅降低了双通道光谱仪中所需第二个通道光谱仪的体积和重量，还进一步降低了弯月透镜和反射镜的体积和重量，并且能兼顾超光谱分辨率需求。

为了简化计算，初始结构采用如图1 所示的双通道改进型Offner 系统，系统为物方远心系统，通道1 的像面为I1，通道2 的像面为I2，入射狭缝S恰好介于I1和I2之间。反射镜M 和凸面光栅G 共心，反射镜M 的半径为R，光栅的半径为RG。

图1 改进型Offner 结构图Fig. 1 Schematic diagram of the improved Offner structure

从通道1 的短波长λ11到通道2 的长波长λ22的高度差ΔH可表示为

式中，ΔH1为狭缝到通道1 短波长λ11像点到狭缝S的距离，ΔH2为通道2 长波长λ22像点到狭缝S的距离。

狭缝位于通道1 长波长λ12像点与通道2 短波长λ21像点之间。光谱仪为1∶1 成像，像方孔径角也可近似为u，根据孔径角的正切关系可以推出

式中，Δl1为通道1 的色散长度，Δl2为通道2 的色散长度。

色散长度Δl可表示为

其中，Δλ为波段范围，σ为合并后的像元尺寸，δλ为光谱分辨率，k为采样参数，一般情况下k=2，即光谱分辨率为0.1 nm 时，采样间隔为0.05 nm。

双通道通过一块光栅色散，同样的光栅间隔d对两个通道均适用，由光栅方程可得

式中，θ为光栅入射角，φ11为通道1 短波长λ11对应的衍射角，m为衍射级次。

ΔH1可近似为

光栅入射角度θ可以近似为

整理得到

当光栅的衍射级次m=1，反射镜M 和凸面光栅G 的半径如下：R=2RG=500 mm，tanu=0.131 时，根据0.1 nm 光谱分辨率的要求则有，ΔH=44.2 mm，Δl1=7.2 mm，Δl2=10.8 mm。狭缝离轴量H应在72.7～97.9 mm 之间，但狭缝过于靠近两个通道像点时，会导致出射光线与光栅之间存在遮挡。因此，要为狭缝与两个通道像点之间留出一定的高度间隔，狭缝离轴量最终取88 mm，对应计算出的d为456 nm。

3.2 望远系统设计

成像光谱仪两个通道的波段不一致，要避免因为波段不一致带来的色差问题，望远镜应该采用全反射结构，同时还要考虑到望远镜小F 数和大视场以及对成像质量的要求，望远镜最终采用了离轴三反结构，通过视场离轴的方式消除中心遮拦。为了便于后续为光谱仪添加消偏器，且使消偏效果达到最佳，孔径光阑放置在主镜前方。

优化时，首先设定望远镜的焦距，其次，为了便于机械结构设计，控制孔径光阑与次镜边缘轴向距离大于5 mm, 同时使用CODEV 自带的@JMRCC 宏文件控制从三镜出射的光线与次镜下端同样留有5 mm 的空隙。优化完成后，望远镜MTF 图如图2（彩图见期刊电子版）所示，望远镜点列图如图3 所示。

图2 望远镜MTF 图Fig. 2 MTF image of telescope system

图3 望远镜点列图Fig. 3 RMS image of telescope system

由图1 和图2 可知，望远镜MTF 在奈奎斯特频率为27.8 lp/mm 时，MTF 优于0.9；点列图结果在3 个视场均小于7 μm，像质良好。

为缩小望远镜及光谱仪整体尺寸，在优化好的望远镜三镜后放置折叠镜，起到折叠光路、缩小望远镜横向尺寸的作用。最终得到望远镜的二维图、三维图如图4 所示。

图4 望远镜结构图Fig. 4 Structure diagram of the telescope

3.3 Offner 分光系统设计

为了匹配前置望远镜的F 数和视场，Offner 分光系统的物方数值孔径应为0.16，狭缝长度应为40 mm。为了与探测器像元相匹配，Offner 分光系统应为1∶1 成像，狭缝宽度应为18 μm。综合Offner 分光系统长狭缝、大数值孔径和超光谱分辨率的要求，且通道1 和通道2 的光束需共用一个凸面光栅，采用改进型的Offner 初始结构。

为了进一步改善像质，在凸面光栅背面添加了弯月透镜。调整Offner 分光系统的狭缝离轴量，将凸面光栅的刻线密度设为变量，限制刻线密度可变的范围，同时限制通道2 出射光线下边缘与光栅的上边缘间隔为5 mm, 控制两个通道的出射光束与入射光束之间不发生相互遮挡，对系统进行整体优化，直至找到像质最佳的狭缝离轴量和光栅刻线密度的最优组合，此时，狭缝离轴量为85.5 mm，光栅周期为450 nm。

最终实现了如图5 所示的Offner 分光系统，其中，通道1 的色散长度达到了10.37 mm，通道2 的色散长度达到了15.57 mm，双通道的光谱分辨率均达到了0.069 nm/pixel。

图5 Offner 分光系统Fig. 5 Offner spectroscopic system

Offner 分光系统通道1 的MTF 如图6 所示，通道2 的MTF 如图7 所示，通道1 的点列图如图8 所示，通道2 的点列图如图9 所示（各彩图见期刊电子版）。

图6 通道1 MTF 曲线图Fig. 6 MTF image of channel 1

图7 通道2 MTF 曲线图Fig. 7 MTF image of channel 2

图8 通道1 点列图Fig. 8 Spot diagram of channel 1

由图6～图9 可知，两个通道的光束经Offner 分光系统成像后，在27.8 lp/mm 奈奎斯特频率下，MTF 均优于0.75，RMS 均优于9 μm，具有良好的成像质量。

图9 通道2 点列图Fig. 9 Spot diagram of channel 2

3.4 整体系统设计

将望远镜与Offner 分光系统对接后，为了便于探测器安装，在两个通道的像面前分别加入两块折转镜，将两个通道的像沿着相反的方向折转。最终得到了如图10 所示的超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪。

图10 本文成像光谱仪结构图Fig. 10 Structure diagram of the proposed imaging spectrometer

成像光谱仪整体通道1 的MTF 如图11 所示，通道2 的MTF 如图12 所示，通道1 的RMS图如图13 所示，通道2 的RMS 图如图14 所示（各彩图见期刊电子版）。

图11 成像光谱仪整体通道1 的MTF 曲线图Fig. 11 MTF image of overall channel 1 in imaging spectrometer

图12 成像光谱仪整体通道2 的MTF 曲线图Fig. 12 MTF image of overall channel 2 in imaging spectrometer

图13 成像光谱仪整体通道1 的点列图Fig. 13 Spot diagram of overall channel 1 in imaging spectrometer

图14 成像光谱仪整体通道2 的点列图Fig. 14 Spot diagram of overall channel 2 in imaging spectrometer

由图11～图14 可知，前置望远镜和后置光谱仪对接后的成像光谱仪，在奈奎斯特频率为27.8 lp/mm 时，双通道的MTF 均高于0.8，RMS均小于9 μm，满足成像质量要求。整体系统最终达到的设计指标参数如表2 所示

表2 系统最终的设计参数Tab.2 Final design parameters of the system

4 结 论

Offner 结构的光谱仪虽然具有小F 数、长狭缝的优点，但是在实际应用中，面对多光谱通道的探测需求时，一般需要多台光谱仪去完成，空间应用体积与重量较大。针对这个问题，本文设计了一种超光谱分辨率紫外双通道共光路成像光谱仪， 通过初始结构的选型、狭缝离轴量与光栅周期的计算，获得了改进型双通道Offner 光谱仪的初始结构。该结构可在一台Offner 光谱仪具有超光谱分辨率的同时还可对两个光谱通道进行探测，其相比于传统的Offner 结构，具有小型化、轻量化的优点。调整Offner 分光系统的狭缝离轴量与光栅周期，引入弯月透镜，对系统进行了逐步优化。最终成像光谱仪通道1 光谱范围为280～300 nm、通道2 光谱范围为370～400 nm，两个通道都具有优于 0.1 nm 超光谱分辨率，实现了9.5°视场、F#3.8 的技术指标。两个通道的MTF 均优于0.8，RMS 均小于9 μm，满足应用需求，为Offner 成像光谱仪提供了双通道一体化的设计方案。