2.2 成像光谱仪分光技术
2.2.1 成像光谱仪分光技术种类
成像光谱仪一般包括前置光学系统和分光系统两部分。前置光学系统收集待测目标的辐射并将其成像在入射狭缝上，分光系统则将通过入射狭缝的光分解为不同波长的单色像，由二维探测器在像面上记录下光强信息，最后通过光谱重建得到待测目标的空间信息和光谱信息。按照不同的分光原理可以将成像光谱仪分成很多种类型，包括色散型（光栅、棱镜）成像光谱仪［107］、干涉型成像光谱仪［108，109］、可调谐滤光器型成像光谱仪、计算层析型成像光谱仪［110］等。作为成像光谱仪技术的核心，分光技术的选择是否符合应用要求关系着成像光谱仪研制的成败。
现今的遥感领域中，进入实际应用阶段的几乎都是色散型成像光谱仪或干涉型成像光谱仪［111］。干涉型成像光谱仪往往含有透射光学元件，而远紫外波段透射材料非常稀缺且制备困难，并且干涉型成像光谱仪在波长较短的远紫外波段的光谱分辨力很难做到非常高。因此，使全反射式结构的色散型成像光谱仪更加适用于远紫外遥感应用，近年来发射的远紫外成像光谱仪载荷多使用反射光栅作为分光元件的色散型成像光谱仪。
2.2.2 光栅色散型成像光谱仪光学系统
光栅色散型成像光谱仪的分光系统结构有很多类型，其区别主要在于使用哪种类型的光栅作为分光元件。按照光栅面型的不同，主要可以分为平面光栅分光系统和凹面光栅分光系统，下面分别介绍其典型结构。
2.2.2.1 平面光栅分光系统
在使用平面光栅作为分光元件的光谱仪器中，艾伯特-法斯忒（Ebert-Tastie）型光谱仪是最早出现也是结构最为简单的系统类型［112，113］。如图2-1所示，Ebert-Tastie系统通常采用一个大的凹球面反射镜作为准直镜和成像镜。通过入射狭缝S1进入光谱仪的复合光线经准直镜M反射后成为平行光束照射到平面光栅G上，经光栅衍射后的光线由聚焦镜M聚焦于出射狭缝S2处或者在S2所在的平面上形成光谱面。
图2-1 艾伯特-法斯忒型分光系统
切尔尼-特纳（Czerny-Turner）型分光系统是在Ebert-Fastie型分光系统的基础上改进而来的［114］，这种结构利用两片同样曲率的球面镜代替一块大的球面镜，分别作为准直物镜和聚焦物镜，如图2-2所示，Czerny-Turner型分光系统分为传统的M型结构［图2-2（a）］和在此基础上演化出的交叉型结构［图2-2（b）］两种类型。与Ebert-Tastie型分光系统相比，Czerny-Turner型分光系统可以避免高次衍射，减少了杂散光，便于安装与调试，且工艺性和经济性更好。利用Czerny-Turner型色散系统的光谱仪器自诞生以来就成为设计者最为喜欢的结构形式。
图2-2 切尔尼-特纳型分光系统
2.2.2.2 凹面光栅分光系统
1882年，罗兰发明了凹面光栅，即把划线直接刻在凹球面上，从而省略了准直镜和成像镜，凹面光栅既起到分光作用又起到聚焦作用。凹面光栅的问世不仅简化了光谱仪器的结构，而且还提高了它的性能。使用凹面光栅的罗兰圆分光系统如图2-3所示，入射狭缝的中点、光栅的顶点和成像器件的光敏面（或出射狭缝的中点）三者都位于以光栅的曲率半径为直径的罗兰圆上。
图2-3 使用凹面光栅的罗兰圆分光系统
使用凹面光栅作为色散元件的分光系统在罗兰圆结构的基础上陆续发展了艾伯尼结构、巴森-隆结构、伊格尔（Eagle）结构、谢亚-纳米欧卡（Seya-Namioka）结构、欧那卡（Onaka）结构和沃茨沃尔（Wadsworth）结构等。这些结构有其各自的优势，其共同的缺点是成像面为弧形。当光谱仪不含有出射狭缝，而使用面阵探测器同时测量一定波长范围的光谱区间时，需要特殊形状的探测器才能与之相匹配，否则仅能获得很窄的可用光谱范围。
凹面平场光栅的诞生解决了这个困扰，使用凹面平场光栅可以在成像面上得到平直的光谱图像［115～117］，如图2-4所示。从而将光谱仪分光系统与平面阵列探测器很好地结合起来，扩大了可同时探测的光谱范围，进一步提高了光谱仪的性能。
图2-4 使用凹面平场光栅的分光系统
除了凹面光栅之外，还有使用凸面光栅作为色散元件的光谱仪分光系统，这种系统以Offner结构为代表。Offner光谱成像系统是在反射式Offner中的光学系统的基础上发展起来的新型光谱成像系统，利用凸面光栅代替Offner中继光学系统中的第二块反射镜，可以实现分光谱成像［118］。
根据上述讨论可知，使用凹面平场光栅的分光结构具有最少的光学元件，无疑是远紫外成像光谱仪的最佳选择，然而由于凹面平场光栅的加工和制造非常困难，我国尚不具备这样的技术实力，因此选择容易获取的平面光栅作为色散元件，基于切尔尼-特纳型分光结构设计成像光谱仪的光学系统。