成像光谱仪是一种集成了成像和光谱分析功能的仪器, 因其能够同时获取物体的空间分布信息和光谱特征, 具备多维度信息采集的能力, 需求广泛且应用价值高。 由于不同物质的光谱特征各异, 通过成像光谱仪能够对目标物体或区域进行特定目标检测、 精确分类和生化成分或物理特性分析, 从而满足各领域对精细探测的需求, 已经被广泛应用于遥感、 医学、 工业制造和食品等领域^{[1, 2, 3, 4]}。 成像光谱仪使用色散元件将从物体反射或发射的光分解成连续的光谱, 每个像素所对应的光谱曲线可以反映出该位置的材料或物质成分特性, 从而实现了空间维度和光谱维度的结合^{[5, 6]}。

首台成像光谱仪AVIRIS诞生于20世纪80年代JPL实验室, 同时也首次提出了高光谱遥感的概念, 至此成像光谱仪相关的研究开始蓬勃发展^[7]。 成像光谱仪已经广泛运用于航空航天平台上, 如美国NEMO卫星上的Hyperion; 欧空局的CHRIS; 加拿大的CASI等; 进入21世纪, 随着分光技术, 导航技术以及微型计算机技术的不断发展, 国内外一些研究机构开展了以轻小型无人机为平台的高光谱成像技术的研究。 美国Headwall公司开发了适用于轻小型无人机的Micro-Hyperspec微型高光谱成像光谱仪, 光谱分辨率为6 nm, 质量仅为0.96 kg^[8]; 南京航空航天大学的郑志忠等研发了一种Offner型短波红外成像光谱仪, 光谱分辨率优于4 nm, 但质量约为5 kg^[9]。 目前, 由于轻小型无人机平台对载荷的体积质量要求非常严苛, 适用于轻小型无人机的成像光谱仪仍存在光谱分辨率低、 成像质量差、 质量重、 体积大、 元件成本高等问题不能同时解决。

根据无人机平台对载荷的指标和紧凑性要求, 本文通过结合Dyson同心结构和棱镜-光栅-棱镜(prism-grating-prism, PGP)组合色散元件消除谱线弯曲的方式, 引入像方远心镜头和用棱镜与平面反射光栅组合的PG色散模块, 取代了原有的价格昂贵的色散元件, 实现了自准直, 进一步压缩了成像光谱仪的体积和质量, 同时保证了应用需要的高成像质量和高光谱分辨率, 所研制的新型轻小型成像光谱仪可广泛用于城市、 湖泊、 森林等场景的成像光谱分析。

为了实现成像光谱仪整体结构的小型化, 深入分析研究现有的成像光谱仪类型。 成像光谱仪主要存在滤光型, 色散型, 干涉型^[10]。 滤光型虽然质量轻, 体积小, 但要实现高光谱则对滤光片要求较高, 成本比较昂贵; 干涉型体积紧凑, 光谱分辨率高但是系统精度和敏感度也较高, 对应用环境有一定要求; 色散型成像光谱仪技术较为成熟, 目前已经广泛应用于无人机平台。

根据色散元件的不同, 色散型成像光谱仪主要有Dyson型、 PGP型和Offner型, 如图1所示。 Dyson型成像光谱仪利用罗兰圆分光原理, 可以充分对各类像差进行抑制和消除, 同时极大减少体积, 但是其狭缝和像面距离光学元件过近, 凹面光栅造价较贵等问题, 在工程上较少应用^[11]。 Offner型同样是运用罗兰圆分光原理, 空间利用率高, 光谱分辨率高, 但由于凸面光栅制备技术不成熟, 加工成本高昂。 PGP型成像光谱仪是利用贴合在一起的棱镜-光栅-棱镜作为色散元件, 可以很好消除一般透射光栅带来的谱线弯曲问题^[12], 但是空间利用率不足。

图1

Fig.1

	Figure Option ViewDownloadNew Window
	图1 色散型成像光谱仪种类 (a): Dyson型成像光谱仪; (b): Offner型成像光谱仪; (c): PGP型成像光谱仪Fig.1 Dispersive imaging spectrometer (a): Dysonimaging spectrometer; (b): Offnerimaging spectrometer; (c): PGP imaging spectrometer

通过结合像方远心镜头的成像特征, 将Dyson型和PGP型两种成像光谱仪有机结合, 得到一种新式的成像光谱仪结构, 主要有狭缝, 像方远心镜头, PG分光模块和探测器组, 如图2所示。

图2

Fig.2

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	图2 光学系统结构示意图Fig.2 Schematic diagram of optical system structure

物体光线经过狭缝后, 通过平面反射镜转折进入像方远心镜头, 出射平行光至棱镜, 初步分光后再由平面反射光栅进一步分光, 后沿原光路返回并成像于探测器上。 这种新型的成像光谱仪结构, 准直系统和成像系统共用一个镜头, 与传统的PG成像光谱仪相比有效地缩减了系统的体积和质量^[13], 同时使用棱镜和平面反射光栅的组合代替了凹面光栅的功能, 实现了PGP的消除谱线弯曲的效果, 具有降低系统制造加工成本的优势。

基于以上考虑, 对系统的像方远心镜头和PG组合元件进行深一步的设计优化, 使全波段全视场符合使用要求。

像方远心镜头是将孔径光阑放置在物方焦平面上, 这样像方主光线平行于光轴, 主光线的汇聚中心位于像方无穷远。 用于成像光谱仪时, 将狭缝置于像面时, 由狭缝上任意一点发出的光束可认为是远心物空间, 符合成像光谱仪使用场景。

2.1 镜头指标参数

根据系统应用指标要求, 像方远心镜头系统设计焦距为100 nm, F数为3, 工作波段为450~900 nm, 远心度最大视场不大于1° 。 通过狭缝长度为10 mm, 根据视场角的计算方法可得

ω=arctanL2f=2.86°(1)

为使探测器排布保留足够空间, 需要为视场角留有足够冗余, 将镜头半视场角设为5° , 最终确定像方远心镜头主要设计指标如表1所示。

表1

Table 1

表1(Table 1)

表1 像方远心镜头光学指标 Table 1 Image-space telecentric optical indicators 光谱范围/nm 焦距/mm 相对孔径 全视场角 远心度 450~900 100 1:3 10° 优于1°

表1 像方远心镜头光学指标 Table 1 Image-space telecentric optical indicators

2.2 镜头设计结果

根据焦距较长、 视场大、 相对孔径大以及成像谱段宽的系统特点, 选择类双高斯的系统初始结构, 针对在长焦距、 宽谱段透射式光学系统中二级光谱难以校正的技术难点, 在光学设计过程中利用超低色散镜片对光学系统的二级光谱进行充分校正。 光学系统的形式采用匹兹瓦结构复杂化, 加之光路形式为像方远心, 需要在其后增加具有正光焦度的透镜来实现像方远心的设计目标。 为了实现光学系统小型化, 同时达到良好的成像质量, 引入非球面对系统进行优化设计。 其光学结构形式如图3所示, 镜头总长115 mm。

图3

Fig.3

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	图3 像方远心镜头光学结构示意图Fig.3 Schematic diagram of image-space telecentric optical structure

对优化得到的光学系统进行成像性能评价, 像面光线追迹点列图如图4所示, 各视场的聚焦光斑均方根(RMS)半径均小于2.5 μ m, 接近艾里斑, 远小于成像光谱仪探测器的单位像元尺寸, 各种几何像差得到了有效的消除。 光学系统调制传递函数如图5所示, 在100 lp· mm^-1频率处, 各视场MTF均优于0.7, 接近衍射极限, 成像质量良好。

图4

Fig.4

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	图4 像方远心镜头点列图Fig.4 Spot diagram of image-space telecentric

图5

Fig.5

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	图5 像方远心镜头MTF曲线Fig.5 MTF diagram of image-space telecentric

色散元件是成像光谱仪的核心器件, 光束在棱镜上的入射角度、 棱镜的材料、 棱镜与光栅的夹角和光栅的刻线密度均会对最终的分光效率和成像效果造成影响^[14]。

基于棱镜折射和光栅分光原理, 建立棱镜— 反射光栅初始结构参数的简单设计方法。 棱镜加平面反射光栅的组合可以简化为两倾斜角一致、 材料一致的棱镜与透射光栅的组合, 且光栅的基底材料与棱镜材料一致的PGP组合色散元件, 来自狭缝任意一点的光束经过准直镜准直后入射到色散元件上的光路如图6所示。

图6

Fig.6

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	图6 PGP组合色散光路示意图Fig.6 Schematic diagram of optical path in PGP combined dispersive element

由光的反射定律可知, 棱镜顶角β₁=β₂, 棱镜和光栅基底材料相同, 折射率一致n₁=n₂=n₃, 光栅方程为

nλd(sinθ2+sinθ3)=kλ(2)

式(2)中, n_λ 为不同波长λ下棱镜玻璃对应的折射率, θ₂为光栅入射角, θ₃为光栅衍射角, k为光栅的衍射级次, d为光栅常数。 根据闪耀光栅闪耀条件, 当入射角、 衍射角和闪耀角相等时, 即θ₂=θ₃时, 刻槽面衍射的光最强, 衍射效率达到最大。 由式(2)可得

θ2c=θ3c=arcsinkλc2dnλc(3)

式(3)中, λ _c为光谱范围的中心波长, θ2c和 θ3c为中心波长的入射角和衍射角, nλc为中心波长下棱镜玻璃对应的折射率。

根据斯涅尔折射定律

sinβ'1=nλsinθ1(4)

nλsinθ4=sinβ'2(5)

由几何关系可得

θ1=β1-θ2(6)

由式(4)和式(6)可得棱镜的倾斜角β₁为

sinβ1sin(β1-θ2)=nλ(7)

则光栅入射角θ₂可表示为

θ2=β1-arcsinsinβ1nλ(8)

由式(2)和式(8)可得光栅出射角θ₃为

θ3=arcsinλnλd-sinθ2(9)

由几何关系可得

θ4=β2-θ3=β1-θ3(10)

由式(5)和(10)可得出射角β '₂为

β'2=arcsin[nλsin(β1-θ3)](11)

选微晶玻璃为棱镜材料, 光栅常数为5 μ m, 此时, 光线出射角仅与棱镜倾斜角和光线入射角度有关, 而与棱镜的厚度无直接关系, 考虑到减少质量体积, 降低加工成本等方面因素, 棱镜中心厚度取6 mm, PG色散模块设计参数如表2所示。

表2

Table 2

表2(Table 2)

表2 PG元件参数 Table 2 PG component parameters 材料 棱镜倾 斜角/(° ) 刻线密度/ (线· mm-1) 厚度/ mm 通光 孔径/mm Silica 5.5 200 6 36× 36

表2 PG元件参数 Table 2 PG component parameters

提出了一种基于自准直PG的紧凑型成像光谱仪创新设计。 该设计采用棱镜-平面反射光栅复合色散系统, 创新性地实现了准直镜与成像镜的共孔径复用, 从而显著优化了系统构型。 通过光学结构的集成化设计, 系统体积和质量得到有效控制(包络尺寸123 mm× 44 mm× 44 mm), 在降低材料成本与加工难度的同时, 契合轻量化无人机载荷技术的发展需求。 光谱分析表明, 该仪器在450~900 nm宽谱段范围内展现出优良性能: 全视场弥散斑RMS半径小于2 μ m; 各视场在100 lp· mm^-1空间频率下的调制传递函数值均超过0.5, 接近理论衍射极限; 光谱分辨率理论值优于0.8 nm, 实验室实测可清晰分辨589.0/589.6 nm钠双线特征谱。 实验数据验证了该成像光谱仪在保持高空间/光谱分辨率的前提下, 成功实现了小型化与轻量化的设计目标。 这种新型复合色散架构为轻小化光谱成像系统提供了一种可行的技术路径, 其模块化设计理念为后续成像光谱仪的创新研发与技术演进提供了有益参考, 特别是在无人机载微型光谱探测领域展现出显著的应用潜力。

本文设计仍存在边缘光线无法回到像方远心镜头造成部分波长能量下降的问题, 可以通过增大像方远心镜头相对孔径, 或者减少狭缝物数值孔径等方式进一步完善。