高光谱成像可以同时提供二维空间细节与连续光谱特征，是环境监测、农业遥感、城市规划以及灾害预警等领域的重要技术手段。在各类高性能的高光谱成像仪光学系统形式中，离轴三反望远镜系统和Offner成像光谱系统的组合系统是一种典型代表，广泛应用于星载和机载遥感领域。然而，受限于特种凸面光栅的研制技术以及此类系统的固有设计能力极限，使得该系统存在造价较高、装调复杂、数值孔径难以进一步提高等问题。针对上述瓶颈，本研究提出一种创新性光学系统设计：采用离轴两反式望远镜与改进型Dyson成像光谱仪的组合架构。既满足了大视场、高分辨率和大光学通量的应用需求，也突破了传统Dyson结构的工程化限制，在保留同心性优势的同时显著提升数值孔径。该光学系统的成功设计不仅为高性能高光谱成像仪的研制提供了重要参考，也为地物观测提供了高效解决方案。
研究背景
高光谱成像技术自20世纪80年代提出以来，凭借在二维成像基础上同时获取连续光谱信息的独特优势，已在机载和星载平台的海洋、大气、植被与城市地表监测等领域得到广泛应用。传统高光谱成像系统多采用离轴三反望远镜与Offner成像光谱系统的组合，虽能在350–1000 nm宽谱段内实现2–5 nm的光谱分辨，并兼具较大视场和高光学通量，但其对特种凸面光栅的高度依赖和同心结构的固有限制，导致成本居高不下、装调复杂，且数值孔径难以进一步提高。为克服上述局限，本研究创新性地将离轴两反望远镜与改进型Dyson成像光谱仪相结合。离轴两反望远镜结构紧凑，无需色差校正，既满足大视场与高空间分辨的需求，又显著降低了系统体积与装调难度。传统的Dyson结构相较于Offner系统，具备更高的数值孔径和更为简易的系统形式，但是由于其过于紧凑的结构使得这类结构较少在工程上进行应用，因此我们通过对传统Dyson结构的分析和改进，使之在具备良好工程应用性的前提下仍然保持了其固有的优越光学性能质量。最后设计完成的高光谱成像仪光学系统由设计的透射望远镜系统和改进型Dyson成像光谱系统匹配生成。
主要内容
高光谱成像仪的整体光学系统主要由望远镜系统和成像光谱仪系统两部分构成。两部分各自独立设计，并通过狭缝耦合以形成完整的成像系统。
对于宽谱段望远镜系统，反射式光学设计因无需校正色差而成为优选方案。与离轴三反系统相比，离轴两反光学系统能够提供更大的视场角和更小的F数，同时具备更紧凑的结构优势。因此，本设计选用了离轴两反望远系统。该系统拟采用像元尺寸为9 μm的CMOS面阵探测器，要求望远镜系统至少实现0.32 mrad的像元空间分辨率（沿狭缝宽度方向通过3个像元拼接，光谱维的空间分辨率优于1 mrad）。基于此需求，计算得出望远系统的焦距为27.3mm，并预留余量，最终设定为29.8mm，F数为2.5。系统的二维光路结构如图1所示：
图1 望远系统光路
成像光谱仪系统在保留传统 Dyson 同心结构与高数值孔径优势的同时，对关键元件布局进行了系统化优化，以兼顾工程装调的可行性与光学性能的卓越性。
首先，根据预设的狭缝与像面到相邻光学元件的轴向和垂直距离，对增加空气间隙后系统的像差消除条件进行了严格推导。然后在此基础上，将原有的厚半球透镜拆分为薄半球与弯月透镜组合，以获得更多的设计自由度，虽然初步提升了像差控制，但仍无法完全满足新消像差条件。为突破此瓶颈，我们创新性地将反射光栅重构为透镜和反射光栅的复合结构，即将原来的反射光栅变为前表面透射，后表面为光栅衍射的特殊组合。该方案在仅增添最少光学元件的前提下，不仅保持了系统的同心性，还大幅增加了可调消像差变量，使得所有空气间隙带来的球差与色差均得以高效补偿。最终形成的改进型Dyson成像光谱系统，如图 2 所示，不仅在理论上满足了全视场、全谱段的严格像差条件，也在实践中为装调和工程应用提供了充分余量。
图2 改进型Dyson成像光谱系统光路设计图
将设计完成的望远镜系统和成像光谱系统在狭缝处进行对接匹配获得完整的设计系统。其整体光路结构图如图3所示。最终研制完成的样机内部系统如图4所示。
图3 全系统成像光谱仪系统光路图
图4 高光谱成像样机图
我们对样机进行了核心指标光谱分辨率测试和远景成像实验测试。为了验证全波段的分辨率，我们采用了宽波段光源、单色仪以及积分球进行了全波段光谱定标，实验示意图如图5所示。定标数据如表1所示，所有的光谱分辨率（FWHM）均在2.1 nm左右。
图5 波长校准实验
表1 波长校准结果
然后将样机放于转台上，对远处植物群落进行观测，获得结果如图6所示。
(a) 观测对象的NDVI图像
(b) 观测对象的反射辐射分布图像
图6 外场观测结果
图6（a）为全谱段融合后的伪彩色图，图6（b）为675nm处的反射辐亮度图像。可以看到仪器能够实现很好的细节分辨能力。
结论
本研究提出并成功验证了一种紧凑型大视场、宽谱段高光谱成像光学系统，该系统通过将离轴两反望远镜与改进型Dyson成像光谱仪有机集成，实现了对地物目标的高分辨率与高灵敏度观测。在350-1000 nm全波段和30°大视场范围内，实验室校准与野外成像均证实了该系统在复杂环境下的稳定成像能力。与传统 Offner 结构相比，本设计不仅大幅降低了制造与装调复杂度，而且突破了数值孔径提升受限的瓶颈，显著提高了系统的工程可行性和应用灵活性。上述成果为未来星载和机载高光谱仪的光学系统研制提供了坚实的理论与实践基础，并为高效、大范围的地物遥感监测应用奠定了重要支撑。
团队及作者介绍
先进光学与光谱成像技术研究团队。主要研究方向：围绕空间遥感、先进工业检测等领域，开展先进光学和高光谱成像技术研究，开发各类适用于国家行业重大需求的先进光学成像检测仪器。团队现有正高级职称3人，副高级职称5人，中级职称3人，博士后1人，在读学生7人。具备各类高精密光学标准设备近四十余台，实验室1000余平米。
于磊
于磊，男，博士，研究员，中国科学技术大学博士生导师，中国科学院特聘研究员，合肥物质院安徽光机所光学工程中心书记、副主任，安徽省杰青。中国科学院青年创新促进会会员，中国光学工程协会先进光学制造青年专家委员会委员，安徽省光学学会理事。主持和参与国家重点研发计划、国家自然科学基金、中国科学院科研装备研制项目、863军口项目、中国工程物理研究院重大工程项目、中国科学院天文观测仪器项目、省科技厅项目及其他横向课题多项，以主要参与人身份完成多个空间有效载荷项目技术攻关。以第一作者和通讯作者身份发表各类SCI/EI收录期刊/会议论文40余篇，授权发明专利5项。曾获宝钢奖优秀奖、大恒光学奖优秀奖、长白青年科技奖优秀奖。现任《红外与激光工程》青年编委会Topical Editor，中国激光杂志社青年编辑委员会委员，《激光与光电子学进展》青年编委，《大气与环境光学学报》青年编委。
文章信息
冯海生, 温健, 吴骕, 等. 大视场宽谱段地物观测高光谱成像仪光学系统研究（内封面文章·特邀）．红外与激光工程, 2025, 54(5): 20250112. DOI: 10.3788/IRLA20250112
全文链接：http://irla.cn/article/doi/10.3788/IRLA20250112（阅读原文）