成像光谱仪是一种先进的光学系统，能够同时捕获来自物体的空间和光谱数据。其应用领域涉及科学研究、资源勘探、农业、食品安全、医药等多个领域。随着各种应用对成像光谱仪需求的不断增长和技术的不断进步，这些系统正在经历重大的发展。这种演变的目的是拓宽光谱带，提高分辨率，缩小整体尺寸。在遥感领域，迫切需要成像光谱仪实现卓越的性能，同时保持简单和紧凑的设计。

为了在成像光谱仪中实现更高的性能，研究人员引入了具有更高设计自由度的光学表面，如圆锥曲面、高次非球面和自由曲面。其中，自由曲面为成像光谱仪的性能改进提供了显著的飞跃。自由曲面通常是指具有较高设计自由度的复杂非旋转对称曲面，近年来取得了重大发展。它们可以极大地提高非对称系统的成像质量，其中成像光谱仪是由于色散导致的非对称系统的典型例子。有关研究表明，自由曲面可以改善系统的光学性能。同时，已经证明了利用自由曲面的优势。

本文对offner型全息光栅成像光谱仪成像和记录路径中自由曲面对系统性能的影响进行了深入的研究和定量分析。本讨论涵盖了系统性能的各个方面，包括数值孔径(NA)、光谱分辨率、光谱带和狭缝长度。通过定量分析，为每个方面建立了具体的绩效边界。研究表明，在全息光栅的记录路径中引入自由曲面可以显著提高成像光谱仪的性能，超过在成像路径中引入自由曲面所获得的增强效果。这一发现使得一系列设计简单、成本效益高、高性能的成像光谱仪的生产成为可能，这一切都归功于自由曲面的结合。此外，本实验引入了一种全息光栅，其中成像和记录路径都包含自由曲面，该设计为实现高性能成像光谱仪提供了一种可行的方法。

图1 Offner变形结构全息光栅成像光谱仪
(a)成像路径(b)无辅助镜的记录路径(c)有辅助镜的记录路径

表 1 系统性能规格

图2 (a) Type8和(b) Type9系统的沟槽分布
(c) Type8和(d) Type9系统去除线性项后的沟槽分布

图3 (a) Type8和(b) Type9系统的局部光栅线密度分布

图4 Type9系统的RMS WFE映射

文献来源：Yilin Tan and Jun Zhu, "Freeform surfaces that enable high-quality Offner-type imaging spectrometers with holographic grating," Opt. Express 31, 43269-43279 (2023)

https://opg.optica.org/oe/fulltext.cfm?uri=oe-31-26-43269&id=544171