CN103134587A - 一种基于体全息光栅组件分光的光谱分光成像系统光路 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于体全息光栅组件分光的光谱分光成像系统光路，在此系统光路中采用体全息光栅作为分光元件。经过前置成像物镜、狭缝、准直物镜的平行光在全息元件处进行衍射分光，分光后经成像物镜会聚并成像在像面上，由CCD探测接收，整套系统体积小、结构紧凑，光线可直进直出、光能利用率高、分光性能好。

Description

一种基于体全息光栅组件分光的光谱分光成像系统光路

技术领域

本发明涉及一种基于体全息光栅分光组件的光谱分光成像系统光路。

背景技术

光谱分光系统是成像光谱仪的核心，根据分光原理分光系统可分为色散式和调制式两大类。目前调制式的仅有傅里叶变换光谱仪一种较为成熟。色散式主要应用的有棱镜、光栅、干涉仪三种。

棱镜分光系统色散率低，分光性能较差。光栅分光系统具有宽的光谱测量范围和高的分辨率，但普通平面衍射光栅存在光谱叠级现象，而且在传统的棱镜或光栅光谱仪器中，往往存在一个偏向角问题，即入射光束和出射光束不在同一条轴线上。这样构成的系统属典型的离轴系统，存在着体积大、装调困难、稳定性差等缺陷。干涉色散系统具有突出的分辨率和光通量性能，但自由光谱范围很窄，结构和装调复杂。傅里叶分光系统虽然综合性能较高，但受现阶段干涉系统极限光程差和光程差变化间隔的限制，目前优势主要体现在红外波段。

发明内容

本发明要解决的问题是克服现有技术的不足，提供一种新型成像光谱仪光路系统。此系统采用三块体全息光栅作为分光元件，高的衍射效率提高了整个系统的光能利用率，且入射光与出射光同轴，便于观察。此光谱仪小型化、结构紧凑、可直视，在可见光范围内具有很高的成像质量。

系统包括前置望远物镜、狭缝、准直物镜、分光元件、成像物镜和CCD探测器。位于远处的物体经望远物镜成像在狭缝处，狭缝作为视场光阑，对入射光束进行限制，进入狭缝的光经准直物镜准直为平行光到达分光元件，分光元件由三块体全息光栅组成，每块全息光栅具有不同的厚度和光栅常数，光线经全息元件的衍射作用分光，经成像物镜成像在像面上，由CCD探测和接收。

上述分光元件为透射型体全息光栅，由光致聚合物材料制成，衍射效率可达90%以上，为了保证系统达到直视性，即光线直进直出，三块光栅具有不同的厚度，且在曝光记录过程中，制作光路各不相同，从而使三块光栅具有不同的光栅矢量、光栅常数，且对同一波长的光具有不同的布拉格角。

采用上述技术方案后，本发明所提供的方法具有这样的有益效果。体全息光栅高的衍射效率使得光能利用率增加，系统色散率高、光谱范围宽、无光谱叠级现象，光线经全息分光元件可直进直出，整套系统结构紧凑、装调简单、稳定性强。在航天航空遥感光谱成像中具有很大的应用潜力和优势，其结构紧凑和直视型特点也适用于显微超光谱成像系统。

附图说明

图1是成像光谱仪光路系统组成原理图；

图2为透射型体全息光栅分光原理图；

图3为透射型体全息光栅记录光路图；

图1中：前置望远物镜1狭缝2准直物镜3全息分光组件4成像物镜5CCD探测6；

图2中：保护玻璃1透射型体全息2光栅基板3；

图3中:激光器1电子快门2偏振分光棱镜3反射镜4空间滤波器5准直透镜6全息干板7λ/2波片8偏振片9。

具体实施方式

如图1所示远处的目标经望远物镜1成像在狭缝2处，进入狭缝的光经过准直物镜3到达全息分光组件4进行分光，平行光束经分光后由成像物镜5成像在像面处，由CCD探测器6接收。

准直物镜和成像物镜是光谱成像系统的重要组成部分，准直物镜把通过狭缝的光线准直后入射至分光器件，成像物镜则把色散光线会聚成像在像平面上。对于成像光谱仪，其能量利用率是系统重要性能指标，因此，在设计准直物镜和成像物镜时，应尽量增大相对孔径。

当CCD的尺寸选定，即成像面的谱面宽度一定，根据所需的光谱范围即可确定线色散率。光栅的线色散率

和成像物镜焦距f₂的函数关系为

其中k是衍射级次，d是光栅常数，

是波长为λ的入射光的衍射角，σ是光谱像平面相对垂轴平面的夹角。成像物镜的焦距f₂选定后，便可确定光栅常数d。

成像物镜的全视场可根据以下公式计算

$\mathrm{FFOV}=2\arctan [\left(\frac{\sqrt{{H_{\mathrm{\λ}}}^2+{H_x}^2}}{2f_2}\right)\·\cos \mathrm{\σ}]---\left(2\right)$

其中H_x、H_λ分别是像平面上空间维和光谱维方向的长度。

考虑到准直物镜和成像物镜对像差的校正有所不同，在选取准直物镜和成像物镜完全相同的结构时，可仅设计对像差校正严格的成像物镜，准直物镜采取它的倒置形式。

为了保证系统的直视性，即入射光线与出射光线平行，分光系统采用图2所示的三块体全息光栅的组合结构。如图2所示，平行光线垂直入射到第一块全息光栅，衍射光再以布拉格角度入射到第二块光栅，出射光经最后一块光栅衍射后射出，整个系统设计以532nm波长的光为中心波长，第一块全息光栅的倾斜角θ，入射光水平入射，确保中心波长的光束直进直出。

与棱镜分光相比，体全息光栅具有以下特点：

(1)衍射方向由布拉格衍射条件决定，因此可以通过调整入射角度实现波段范围的选择；

(2)可以实现高衍射效率与较高光栅线密度的结合，同时可获得与偏振角度方向较低关联的高色散率；

(3)可制成较大尺寸的光栅元件；

(4)体全息光栅体积小、重量轻，可简化光谱仪器结构，提高设计效率；

(5)光栅外层有一层保护膜和玻璃，形成密闭空间，具备高稳定性；

(6)复制工艺简单，适于批量生产。

衍射效率是分光光栅的重要参数。由DCG材料制成的全息光学元件具有高的衍射效率和分辨率，但DCG的后期处理工艺复杂，由于明胶的涨缩，难以获得稳定的光学性能，此外DCG在自然环境中不稳定，对使用环境湿度很敏感，在高温、高湿下容易消像。本发明采用光致聚合物制作体全息光栅，经相干曝光后经过简单的处理即可，且制得的体全息光栅具有高衍射效率、高灵敏度、高分辨率、光谱响应宽、存储稳定等优点。

利用光致聚合物制作全息光栅的具体记录过程如图3所示，激光器1发出的光经偏振分光棱镜3分为振动方向互相垂直的两束线偏振光，其中一束经过λ/2波片8，调整光束与波片快慢轴的夹角，使其振动方向偏转90°，之后两束光分别通过偏振片9，经反射镜4、空间滤波器5、准直透镜6，最后以平行光在全息干板7上发生干涉，记录过程中需注意调整两束光光程相等。其中电子快门2用来控制曝光时间，所用器件参数如表1所示。

表1实验所用器件参数

器件名称	器件参数
		半导体激光器	波长532nm，功率0-300mW
电子快门	Φ12.5
		偏振分光棱镜	Φ25.4，波长范围450-650nm
λ/2波片	Φ25.4，波长532nm
		偏振片	Φ25.4偏振比500:1
反射镜	Φ40波长532nm
		空间滤波器	40×，3个针孔

记录所得体全息光栅的光栅周期由下式求得：

2Λsinθ_b＝λ    (3)

其中Λ为光栅周期，θ_b为记录光夹角的一半，λ为记录光波长。当入射光束以布拉格角入射，即满足：

2Λsinθ＝±λ    (4)

衍射效率可大于95%，其中θ为光束入射角。

为了保证光束直进直出，三片光栅在记录过程中，改变两光束的夹角，

从而使光栅具有不同光栅周期、光栅矢量等，分光时光束以532nm光的布拉格角度入射，提高光能利用率。

此系统色散率高、光谱范围宽、无光谱叠级现象，光线经全息分光组件可直进直出，在可见光范围内成像质量达到表2所示参数要求。

表2光谱成像仪系统参数

指标	值
		探测器尺寸大小	7.6mm×7.6mm
探测器像元尺寸	25μm×25μm
		光谱范围	360nm～760nm
物方数值孔径	0.18
		系统总长	100mm
光谱像元分辨率	约1.33nm/pixel

本发明所述全息分光组件具有以下几种特性：

(1)相比较于色散棱镜，此分光元件因使用体全息衍射光栅，能实现线性色散，并具有较高的色散率；

(2)透射型体全息光栅可以通过改变光栅周期、折射率调制度、光栅厚度来灵活地改变不同波长范围；

(3)由于采用透射型体全息光栅，分光元件的衍射效率可达75%以上，且衍射效率与光束的偏振特性无关；

(4)整套光谱仪光路系统结构简单、稳定性高。

Claims (3)

1.一种基于体全息光栅分光组件的光谱分光成像系统光路，其设计要点在于：选取准直物镜和成像物镜完全相同的结构时，可仅设计对像差校正严格的成像物镜，准直物镜采取它的倒置形式。

2.根据权利要求1所述一种基于体全息光栅分光组件的光谱分光成像系统光路，其特征在于：分光元件为透射型体全息光栅，光栅由光致聚合物材料制成，衍射效率可达93%以上。体全息光栅的高衍射效率使得光能利用率增加，系统色散率高、光谱范围宽、无光谱叠级现象，光线经全息分光元件可直进直出，整套系统结构紧凑、装调简单、稳定性强。

3.根据权利要求1所述一种基于体全息光栅分光组件的光谱分光成像系统光路，其特征在于：为了保证系统达到直视性，光线直进直出，三块光栅具有不同的厚度，且在曝光记录过程中，制作光路各不相同，从而使得三块光栅具有不同的光栅矢量、光栅常数且对同一波长的光具有不同的布拉格角。

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