A novel hyperspectral imaging spectrometer controlling spatial and spectral resolution individually has been proposed. This imaging spectrometer uses a zoom lens as a fore-optics and a focusing lens. It can change the spatial resolution fixing the spectral resolution or the spectral resolution fixing the spatial resolution. Here, the concept and the principle of the hyperspectral imaging spectrometer with the novel zooming function are presented, and, the collimator lens and the zoom lens as a focusing lens are designed. The collimator lens of the imaging spectrometer is designed through the third-order aberration correction by using an iterative process, which is a new method for an initial design. In the method, the aberration of each group is calculated individually and iteratively, under the constraint that aberrations of one group are compensated by the other groups. By using a lens module and the third-order aberration theory, we have presented the initial design of four-group zoom lens with an external entrance pupil. And the optimized zoom lens with a focal length of 50 to 150 mm is obtained from the initial design by the optical design software. As a result, by combining the designed collimator lens and the focusing lens, the imaging spectrometer shows satisfactory performances in wavelength range of 450 to 900 nm.
공간과 파장에 대해서 독립적으로 분해능 조절이 가능한 초분광 영상분광기를 처음으로 제안하였다. 제안된 영상분광기는 망원렌즈와 집속렌즈에 줌렌즈를 사용하고 있다. 줌기능을 이용하여 집속렌즈의 초점거리를 변화시키는 경우, 공간영상과 파장영상이 동시에 조절되는 반면 망원렌즈는 공간영상만을 조절하게 된다. 따라서 파장분해능과 파장영역은 집속렌즈의 줌비율에 의해서 결정되고, 공간분해능과 시야각은 집속렌즈와 망원렌즈의 줌비율의 곱에 의해서 결정된다. 각 광학계의 줌비율을 적절히 조절하는 경우, 공간분해능을 유지하면서 파장분해능을 조절하거나, 파장분해능을 고정시키고 공간분해능을 조절할 수 있는 기능을 가지게 된다. 본 논문에선, 이러한 줌기능을 가지는 초분광 영상분광기의 작동원리와 시준렌즈, 집속렌즈에 대한 광학설계를 수행하였다. 줌이 가능한 집속렌즈는 렌즈모듈방법과 3차수차이론을 통해서 4군 초기설계를 수행한 후, 최적화를 통해서 초점거리가 50 mm에서 150 mm로 변하도록 설계되었다. 시준렌즈의 초기설계를 위해선,‘반복적인 수차계산법’을 제안하고, 이를 이용하여 설계를 수행하였다. 설계된 시준렌즈와 집속렌즈를 분산소자에 대칭적으로 배치하고, 다시 최적화를 수행하여 원하는 성능을 가지는 영상분광기를 설계하였다. 설계된 광학계는 원하는 공간과 파장영상크기, 줌기능, spot 크기를 가짐을 확인하였다. 본 광학계는 공간과 파장분해능을 개별적으로 제어할 수 있기에 탐지나 검출과 같은 영상 분광학분야에 매우 유용할 것으로 기대된다.
