CN111220271B - 一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块 - Google Patents

一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块 Download PDF

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Abstract

本发明提出一种基于光栅‑空间光分束阵列的分光模块，包括至少一组空间光调制结构，该空间光调制结构包括对脉冲信息进行色散的光栅、对色散后的光进行空间调制的准直镜和空间光分束阵列；空间光分束阵列包括至少一组承载组件，每组承载组件至少包括一块平行平板，每块平行平板的表面的至少固定一组波前分割组件，每组波前分割组件包括两个波前分割件，波前分割件具有反射斜面，每组波前分割组件中两块反射斜面相对布置。实现了控制成本和提高能量利用率的目的，并且能够较好的平衡各波段能量一致性。

Description

一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块
技术领域
本发明属于光谱成像系统领域，具体涉及一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块。
背景技术
成像光谱仪可同时获取目标的二维空间信息和一维光谱信息，广泛应用于物质成分分析、军事侦察、资源勘查、环境监测、天文观察、医疗实验等领域。
传统的成像光谱仪由于其分光模块存在狭缝及透射元件导致有效能量利用过低、像谱分离及光谱还原步骤繁琐等缺点，导致难以应用于荧光、拉曼等弱信号超快物质分析领域。
目前，超快物质分析领域中的分光模块主要利用如图1所示的二元衍射元件(Diffractive Optical Elements)技术，整个系统为4f系统，线性啁啾脉冲入射到图像版，经傅里叶透镜在焦平面处放置二元衍射元件及带通滤波片，最终经成像系统成像于图像传感器上，实现多分幅成像，具有高分幅数、高时间分辨率等特点。但是其核心二元衍射元件制作难度大、成本高，并且由于二元衍射元件的衍射效率及光学元件透射效率等因素降低能量利用率，并且还存在各波段能量一致性差的问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提供一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块，实现了控制成本和提高能量利用率的目的，并且能够较好的平衡各波段能量一致性。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块，携带信息的入射脉冲，经准直后入射到分光模块分光，在图像传感器上成像，所述分光模块包括至少一组空间光调制结构，该空间光调制结构包括对脉冲信息进行色散的光栅、对色散后的光进行空间调制的准直镜和空间光分束阵列；所述空间光分束阵列包括至少一组承载组件，所述每组承载组件至少包括一块平行平板，每块平行平板的表面的至少固定一组波前分割组件，所述每组波前分割组件包括两个波前分割件，所述波前分割件具有反射斜面，每组波前分割组件中两块反射斜面相对布置，使入射光经反射后，按平行于入射方向的反方向出射。
可选的，所述承载组件多块平行平板厚度不同，并且按平行平板厚度递增排列。
可选的，所述分光模块包括两组由光栅、准直镜和空间光分束阵列组成的空间光调制结构。
可选的，所述两组分光模块中的空间调制结构的承载组件正交。
可选的，第一组分光模块的空间分束阵列的平行平板的个数等于下一级光路中的第二组分光模块中的空间分束阵列的承载组件的个数。
可选的，所述两组分光模块的空间调制结构的承载组件相同，每组承载组件上的波前分割组件也相同，每组承载组件的平行平板的递增方向相同。
可选的，所述分光模块包括一组光栅、准直镜和空间光分束阵列组成的空间调制结构以及一组及至少一组具有空间光调制功能的反射镜组。
可选的，所述分光模块中的准直镜为柱面镜。
可选的，所述分光模块中的光栅、准直镜、空间光分束阵列构成4f系统。
可选的，所述不同组波前分割组件的两个分割件的间隔距离不同。
可选的，所述分光模块中的光栅为平面闪耀光栅。
本发明还提供一种成像光谱仪，包括前端脉冲信息光源、分光模块和图像传感器，携带信息的入射脉冲，经准直后入射到分光模块分光，在图像传感器上成像，所述的分光模块为如权利要求1所述一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块。
有益效果在于：
本发明提供的分光模块利用光栅和空间分束阵列组合的方式代替二元衍射元件，实现空间分幅超快光谱成像，提高能量利用率，能够较好的平衡各波段能量一致性问题，可广泛应用于高分辨率瞬态微弱信号光谱分析领域中，从根本上控制了成本。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1为现有技术中的一种成像光谱仪的结构示意图；
图2为本发明的实施例1的结构示意图；
图3为本发明的实施例1的中的第一空间光分束阵列的结构示意图；
图4为本发明的实施例1的中的第一空间光分束阵列的侧视图；
图5为本发明的实施例1的中的第二空间光分束阵列的结构示意图；
图6为本发明的实施例1的中的第二空间光分束阵列的侧视图；
图7为本发明的实施例2的结构示意图；
图8为本发明的实施例2的仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明具体实施例及相应的附图对本发明技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块，包括至少一组空间光调制结构，该空间光调制结构包括对脉冲信息进行色散的光栅、对色散后的光进行空间调制的准直镜和空间光分束阵列；所述空间光分束阵列包括至少一组承载组件，所述每组承载组件至少包括一块平行平板，每块平行平板的表面的至少固定一组波前分割组件，所述每组波前分割组件包括两个波前分割件，所述波前分割件具有反射斜面，每组波前分割组件中两块反射斜面相对布置，使入射光经反射后，按平行于入射方向的反方向出射。
在其中一个实施例中，所述分光模块包括两组由光栅、准直镜和空间光分束阵列组成的空间光调制结构，不同组波前分割组件的垂直距离即两块棱镜之间的距离不同。具体的第一组分光模块实现一维分幅λ1、λ2、λ3、λ4，垂直的另一个分光模块功能是将λ1再细分为λ11、λ12、λ13、λ14，同理对λ2、λ3、λ4进行细分，即变为4X4的16分幅，16分幅相对于5分幅形式的优势在于16分幅为2维分幅，光谱分辨率更高，也更为复杂，实际工作中按照光谱分辨率、工程实现难度进行选择。
在其中一个实施例中，可选的，所述承载组件包括多块平行平板，每块平行平板上固定有一组波前分割组件，所述多块平行平板厚度不同，并且按厚度递增排列。
在其中一个实施例中，所述两组分光模块正交，实现二维分幅功能。
在其中一个实施例中，第一组分光模块的空间分束阵列的平行平板的个数等于下一级光路中的第二组分光模块中的空间分束阵列的承载组件的个数。将第一维分出的λ1光经第二维对应分成λ11、λ12、λ13、λ14，实现二维分幅，以提高光谱分辨率。
在其中一个实施例中，所述两组分光模块中的空间调制结构的承载组件相同，每组承载组件上的波前分割组件相同，每组承载组件的平行平板的递增方向相同。
在其中一个实施例中，所述分光模块包括一组光栅、准直镜和空间光分束阵列组成的空间调制结构以及一组以上的具有空间光调制功能的反射镜组。经一维分幅后光斑分布为一列5个光斑，考虑探测器尺寸和利用率因素，反射镜组对一维分幅光斑进一步调制，形成如图8所示的2+3光斑分布，反射镜组能实现光斑的再分布，但无法实现空间分束阵列调制成一列5分幅光斑功能。
在其中一个实施例中，所述分光模块中的准直镜为柱面镜。
在其中一个实施例中，所述分光模块中的光栅、准直镜、空间光分束阵列构成4f系统，有效减小像差带来影响，提高成像质量。
本发明还提供一种成像光谱仪，包括前端脉冲信息光源、分光模块和图像传感器，携带信息的入射脉冲，经准直后入射到分光模块分光，在图像传感器上成像，所述的分光模块为如权利要求1所述一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块。
实施例1：二维16分幅的光谱成像光路，如图2所示。
探针光分幅成像系统使用探针光中心波长800nm，谱宽20nm，探针光分幅成像系统的物面尺寸6mm×6mm，携带信息入射子脉冲1入射到第一空间光调制结构，所述第一空间光调制结构包括第一光栅2和如图3所示的第一空间光分束阵列4，入射子脉冲经过第一光栅2后，经第一柱面镜3处准直后，入射到第一组空间光分束阵列4进行横向空间调制，如图4所示，第一空间光分束阵列4的波前分割组件为4组，使子脉冲波长λ1-λ4入射到第一空间光分束阵列4的第一组波前分割组件并返回，同理λ5-λ8，λ9-λ12，λ13-λ16分别入射到第一空间光分束阵列4的第二、三、四组波前分割组件并返回。
横向调制后的入射子脉冲1再次经第一柱面镜3后汇聚到第一光栅2处，此时脉冲信息经上述结构已如图4所示横向错开，经第一反射镜5反射到第二空间光调制结构的第二光栅6处，所述第二空间光调制结构包括第二光栅6和如图5所示的第二空间光分束阵列8，第二光栅6刻线方向沿垂直方向，利用第二光栅6的横向色散特性，入射到第二柱面镜7处准直后入射到第二空间光分束阵列8处，所述第二空间光分束阵列8由4组承载组件共16个波前分割组件组成，每组承载组件的平行平板厚度递增方向相同。每组承载组件4个平行平板，每个平行平板上一组波前分割组件。
如图6所示，第二空间光分束阵列8分别对4个波长进行纵向调制，第一组承载组件上的4个波前分割组件对λ1-λ4进行纵向空间调制，使其纵向分开，同理第3-4组承载组件对λ5-λ8，λ9-λ12，λ13-λ16进行纵向调制，第二空间光分束阵列8与入射光方向存在一个角度确保从第二空间光分束阵列8出射后的光返回第二柱面镜7、第二光栅6、第一反射镜5后反射到CCD9处进行图像接收，CCD 9处即可接收到如图2所示的16个分开光谱图像，从而完成16分幅光谱成像。
实施例2：1维2+3形式分布光谱成像光路，如图7所示。
所述入射子脉冲1经入射到第三光栅10上，横向色散成λ1-λ5波长的光，经第二反射镜12反射和第三柱面镜11准直后再经第三反射镜13入射第三空间分束阵列14上，λ1入射光对应第一组波前分割组件(纵向距离最短的一组)，同理λ2、λ3、λ4、λ5入射光对应第二、三、四、五组波前分割组件(纵向距离依次递增)，从而经空间光分束阵列反射后，出射方向一致，不同波长光空间(纵向)分开，再经第三反射镜13反射回衍射光栅消色差后入射到第四反射镜15上，改变出射方向后经横向折转镜组16对纵向子脉冲前三个分幅进行横向移动调制和纵向折转镜组17对纵向子脉冲后两个分幅进行纵向移动调制后在像面上形成如图8所示的2维2+3形式分布。
以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。

Claims (8)

1.一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块，其特征在于：包括至少一组空间光调制结构，该空间光调制结构包括对脉冲信息进行色散的光栅、对色散后的光进行空间调制的准直镜和空间光分束阵列；所述空间光分束阵列包括至少一组承载组件，所述每组承载组件包括多块平行平板，每块平行平板的表面至少固定一组波前分割组件，所述每组波前分割组件包括两个波前分割件，所述波前分割件具有反射斜面，每组波前分割组件中两块反射斜面相对布置，使入射光经反射后，按平行于入射方向的反方向出射；
所述承载组件多块平行平板厚度不同，并且按平行平板厚度递增排列，所述不同组波前分割组件的两个分割件的间隔距离不同。
2.根据权利要求1所述一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块，其
特征在于：所述分光模块包括两组由光栅、准直镜和空间光分束阵列组成的空间光调制结构。
3.根据权利要求2所述一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块，
其特征在于：所述两组空间光调制结构正交。
4.根据权利要求2所述一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块，其特征在于：第一组空间光调制结构的空间光分束阵列的平行平板的个数等于下一级光路中的第二组空间光调制结构中的空间光分束阵列的承载组件的个数。
5.根据权利要求2所述一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块，其特征在于：所述两组空间光调制结构的承载组件相同，每组承载组件上的波前分割组件也相同，每组承载组件的平行平板的递增方向相同。
6.根据权利要求1所述一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块，其特征在于：所述分光模块包括一组光栅、准直镜和空间光分束阵列组成的空间光调制结构以及一组以上的具有空间光调制功能的反射镜组。
7.根据权利要求1所述一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块，其特征在于：所述分光模块中的光栅、准直镜、空间光分束阵列构成4f系统。
8.一种成像光谱仪，包括前端脉冲信息光源、分光模块和图像传感器，携带信息的入射脉冲，经准直后入射到分光模块分光，在图像传感器上成像，其特征在于：所述的分光模块为如权利要求1所述一种基于光栅-空间光分束阵列的分光模块。
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