Метод улучшения пространственного разрешения матричного полихроматора с дифракционной решеткой

В отделе аэрокосмических исследований НИИ прикладных физических проблем им.А.Н. Севченко БГУ заканчивается разработка видеоспектральной системы (ВСС) для съемок с борта Международной космической станции. Аппаратура предназначена для получения цветных фотоизображений и групп спектров подстилающей поверхности. В рамках требований к прибору реализована регистрация изображения и спектров через один объектив с общим электромеханическим затвором.
Для решения ряда задач космического эксперимента «Ураган» для каждого изображения за одно срабатывание центрального затвора необходимо получить не менее 250 пространственно разделенных спектров подстилающей поверхности. Спектральных канал ВСС представляет собой три полихроматора с вогнутыми голографическими дифракционными решетками и матричными приемниками излучения. Изображение с ПЗС матрицы каждого полихроматора содержит спектральную информацию и пространственное распределение яркости вдоль входной щели. Излучение в спектральные модули поступает по световодам передачи изображения из фокальной плоскости объектива.
Для вогнутых сферических дифракционных решеток характерна астигматическая аберрация. Ее суть заключается в том, что фокусировка излучения в меридиональной и сагиттальной плоскостях происходит на различный расстояниях от решетки. Это затрудняет получение высокого пространственного разрешения по высоте входной щели.
В работе предложен метод уменьшения астигматизма вогнутой дифракционной решетки, позволивший значительно увеличить количество одновременно спектрометрируемых областей без потери спектрального разрешения. Проведены как теоретические обоснования нового метода, так и макетирование с оценкой улучшения пространственного разрешения полихроматора.
Если изображение регистрируемой поверхности находится в плоскости входной щели, то плоскости фокусировки по спектру и по пространству находятся на разных расстояниях от дифракционной решетки. Суть метода состоит в смещении плоскости исходного изображения на определенное расстояние от входной щели вдоль оптической оси, что позволяет совместить меридиональную и сагиттальную плоскости фокусировки. При этом входная щель работает как одномерная диафрагма для получения высокого спектрального разрешения. Этот принцип был применен на ВСС, где изображение объекта съемки передается на выходной торец световода изображения.
Лабораторные эксперименты показали улучшение пространственного разрешения, определяемого астигматизмом дифракционной решетки, более чем в 10 раз. Полное заполнение излучением рабочей области дифракционной решетки, а также чувствительность полихроматора обеспечиваются шириной световода передачи изображения. При этом спектральное разрешение не ухудшилось. Существуют способы компенсации астигматизма с помощью вспомогательных цилиндрических зеркал, но учитывая широкий спектральный диапазон и, соответственно, рабочие углы дифракции было показано, что они менее эффективны.
Предложенный метод требует лишь дополнительной юстировки сагиттальной плоскости и не требует существенных затрат по сравнению с другими методами компенсации астигматизма.