棱镜-光栅成像光谱仪的光路结构的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于成像光谱技术领域，涉及一种棱镜-光栅成像光谱仪的光路结构。
【背景技术】
[0002]成像光谱仪是光学成像技术和分光技术相结合的产物，可采用二维的探测器阵列产生一个由二维空间图像和第三维光谱信息组成的数据立方体，即可获得目标的空间图像信息又能得到空间各点的光谱信息，具有图谱合一的优点。在空间探测、航空航天遥感、地质分析、环境监测、医学检测诊断及军事检测等诸多方面有着重要的应用。
[0003]成像光谱仪所采用的分光技术直接影响着整个仪器的性能、结构的复杂程度、体积和重量等，因此，根据具体技术要求应该选择合适的分光技术。现有技术是1992年芬兰国立技术研宄中心实验室报道的棱镜-光栅-棱镜分光元件(以下简称PGP)，并于1993年用于空中成像光谱仪AISA中。为了获得光路的标准直视特性，PGP分光元件采用了两块棱镜和一块透射光栅，其中的透射光栅仅能采用由基底和保护玻璃作为保护层的体相位全息透射光栅，同时因体相位全息透射光栅的特殊性(使用时光线必须按唯一特定入射角入射)导致两块棱镜的顶角设计唯一，导致其所构建的成像光谱仪在不增加准直物镜和成像物镜结构复杂度的情况下，系统存在明显的谱线畸变(Smile和Keystone)。
[0004]如2009年9月第38卷第9期“棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统的光学设计”中入射狭缝为7.6mm，谱线畸变中的Smile最小值为20 μ m、最大值达到61μπι;2012年I月第33卷第I期“棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计”中，入射狭缝长10mm，谱线畸变中的Smile约为50 μ m。
【发明内容】
[0005]本发明为了解决现有技术中存在谱线畸变较大，且光栅选择唯一性的技术问题，提出一种棱镜-光栅成像光谱仪的光路结构，进一步提高此类成像光谱仪的光学性能，主要是谱线畸变的矫正，同时优化核心分光元件，摆脱光栅选择唯一性。
[0006]为解决上述技术问题，本发明技术方案如下:
[0007]棱镜-光栅成像光谱仪的光路结，其包括入射狭缝、准直物镜、棱镜-光栅分光元件、成像物镜和面阵探测器；准直物镜和成像物镜均采用透镜组，可设计为相同的光学结构；所述棱镜-光栅分光元件包括棱镜、长通滤光片和透射光栅，长通滤光片设置在棱镜和透射光栅之间，所述透射光栅可采用由基底和保护玻璃作为保护层的体相位全息透射光栅或表面刻划透射光栅；
[0008]从入射狭缝出来的光经准直物镜后变为平行光束，平行光束入射于棱镜-光栅分光元件，平行光束依次经过棱镜、长通滤光片和透射光栅实现色散分光，色散光束再由成像物镜成像于面阵探测器上。
[0009]所述棱镜-光栅分光元件包括棱镜和透射光栅，长通滤光片设置在面阵探测器前方。
[0010]本发明的有益效果:该成像光谱仪中棱镜-光栅分光元件采用棱镜、长通滤光片和透射光栅组合而成，实现了谱线畸变矫正。透射光栅既可采用由基底和保护玻璃作为保护层的体相位全息透射光栅，也可选择表面刻划透射光栅，当采用表面刻划透射光栅时，棱镜的顶角不再唯一，可根据光谱范围，光栅刻线密度，棱镜材料，经过计算选择合适的光栅入射角及棱镜顶角来更加优越地矫正谱线畸变，从而减少仪器光谱仪定标和图像处理的难度。
[0011]该成像光谱仪的光路结构近似直视，具有结构紧凑、体积小、重量轻、装调简单、稳定性高、成本低、方便使用、可批量生产及优越的谱线特性。
【附图说明】
[0012]图1是本发明的成像光谱仪结构示意图。
[0013]图2是本发明的棱镜-光栅分光元件结构示意图。
【具体实施方式】
[0014]如图1所示，本发明棱镜-光栅成像光谱仪的光路结构，其包括入射狭缝1、准直物镜2、棱镜-光栅分光元件、成像物镜6和面阵探测器7。
[0015]入射狭缝1:采用光刻铬板制作，不但均匀，且无毛刺，无缺口。
[0016]准直物镜2和成像物镜6:采用透镜组结构，先设计成像物镜6，设计时将孔径光阑置于第一片透镜前方一定距离处，并设计为像方远心光路，经分析优化直至得到理想的成像物镜。因准直物镜2仅为提供平行光束，其像差要求相对于成像物镜较小，为减少加工量和成本，则选择准直物镜2为成像物镜6的倒置结构。
[0017]如图2所不，棱镜-光栅分光元件:其包括棱镜3、长通滤光片4和透射光栅5，长通滤光片4设置在棱镜3和透射光栅5之间。平行光束经过棱镜3后光路发生偏折，再经过长通滤光片4，使光线按照透射光栅5要求的入射角进入透射光栅5进行色散分光。透射光栅5可采用体相位全息透射光栅或表面刻划透射光栅。当透射光栅5采用体相位全息透射光栅时，棱镜3的顶角具有唯一性。当采用表面刻划透射光栅时，棱镜3的顶角不再唯一，可根据光谱范围，光栅刻线密度，棱镜材料，经过计算选择合适的棱镜顶角及光栅刻线密度来更加优越地矫正谱线畸变，减少仪器光谱仪定标和图像处理的难度。
[0018]面阵探测器7:用于接收成像物镜6焦面上的空间图像信息及其相应各点的光谱信息。
[0019]来自目标的条带状光辐射由前端成像物镜成像于入射狭缝I处，从入射狭缝I出来的光经准直物镜2后变为平行光束入射于棱镜-光栅分光元件，平行光束依次经过棱镜
3、长通滤光片4和透射光栅5实现色散分光，色散光束再由成像物镜6成像于面阵探测器7上。从而得到目标第一维空间图像和各相应空间点的光谱信息，当该光谱仪对目标第二维空间进行扫描时，则获得目标的第二维空间图像和各空间点的光谱信息。
[0020]所述棱镜-光栅分光元件还可以由棱镜3和透射光栅5组成，且在面阵探测器7前方设置长通滤光片4。
[0021]实施实例I
[0022]本发明的光路中:成像光谱仪工作波段为400?800nm，中心波长选择633nm ;入射狭缝I长14mm，0为2.4 ;成像物镜6采用六片式透镜组结构(准直物镜为其倒置结构)，焦距为54.1mm，视场为8.5° ;棱镜顶角为10.42°，厚5mm ;透射光栅5为体相位全息透射光栅，基底和保护玻璃材料为B270，厚度均为1mm，光栅线密度为3001/mm，衍射级次为+1级；面阵探测器7为MPERX公司的B1920探测器，分辨率为1920 X 1080像素，像素大小为7.4 μ mX 7.4 μ m0
[0023]通过光学软件进行光线追迹，后端成像物镜光轴沿色散方向偏折3.58°，在整个光谱范围内，有较好的成像质量，在400nm、633nm、800nm处，0、0.7、I视场处，MTFs在681ρ/mm时均大于0.7 ;更为突出的是谱线畸变得到了较好的矫正，谱线畸变仅为0.9 μ m，谱线弯曲最大值仅为I μπι。当上述总体条件不变时，采用现有技术PGP分光元件进行设计优化，仪器总体成像质量相近，MTFs有所下降且大于0.65，但谱线畸变高达12.1 μm，谱线弯曲最大值高达73.7 μm、最小值也达45.9 μπι。因此本发明相对现有技术实现了谱线畸变的矫正。
[0024]实施实例2
[0025]在实例I所设计的光学结果不变的情况下，仅将光栅改为刻划透射光栅(光栅参数:基底材料为Β270，厚度为3mm，刻线密度为3001/mm，衍射级次为+1级)，重新进行光线追迹，成像光谱仪光学性能保持不变。
[0026]本发明可广泛应用于航空航天遥感、地质分析、环境监测、工业在线生产分析及医学检测诊断等诸多领域。
【主权项】
1.棱镜-光栅成像光谱仪的光路结构，其包括入射狭缝(I)、准直物镜(2)、棱镜-光栅分光元件、成像物镜(6)和面阵探测器(7);准直物镜(2)和成像物镜(6)均采用透镜组，可设计为相同的光学结构；其特征是，所述棱镜-光栅分光元件包括棱镜(3)、长通滤光片(4)和透射光栅(5)，长通滤光片(4)设置在棱镜(3)和透射光栅(5)之间，所述透射光栅(5)可采用由基底和保护玻璃作为保护层的体相位全息透射光栅或表面刻划透射光栅； 从入射狭缝(I)出来的光经准直物镜(2)后变为平行光束，平行光束入射于棱镜-光栅分光元件，平行光束依次经过棱镜(3)、长通滤光片(4)和透射光栅(5)实现色散分光，色散光束再由成像物镜(6)成像于面阵探测器(7)上。
2.根据权利要求1所述的棱镜-光栅成像光谱仪的光路结构，其特征在于，所述棱镜-光栅分光元件包括棱镜(3)和透射光栅(5)，长通滤光片(4)设置在面阵探测器(7)前方。
【专利摘要】棱镜-光栅成像光谱仪的光路结构，属于成像光谱技术领域，为解决现有技术中存在谱线畸变较大，且光栅选择唯一性的问题，该光路结构包括入射狭缝、准直物镜、棱镜-光栅分光元件、成像物镜和面阵探测器；准直物镜和成像物镜均采用透镜组，可设计为相同的光学结构；所述棱镜-光栅分光元件包括棱镜、长通滤光片和透射光栅，长通滤光片设置在棱镜和透射光栅之间，所述透射光栅可采用具有较高衍射效率的体相位全息透射光栅或表面刻划透射光栅；从入射狭缝出来的光经准直物镜后变为平行光束，平行光束入射于棱镜-光栅分光元件，平行光束依次经过棱镜、长通滤光片和透射光栅实现色散分光，色散光束再由成像物镜成像于面阵探测器上。
【IPC分类】G01J3-02, G01J3-28
【公开号】CN104535184
【申请号】CN201410804004
【发明人】崔继承, 杨增鹏, 唐玉国, 潘明忠, 杨晋, 齐向东
【申请人】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所
【公开日】2015年4月22日
【申请日】2014年12月22日