棱鏡-光柵成像光譜儀的光路結構的制作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于成像光譜技術領域，涉及一種棱鏡-光柵成像光譜儀的光路結構。
【背景技術】
[0002]成像光譜儀是光學成像技術和分光技術相結合的產物，可采用二維的探測器陣列產生一個由二維空間圖像和第三維光譜信息組成的數據立方體，即可獲得目標的空間圖像信息又能得到空間各點的光譜信息，具有圖譜合一的優點。在空間探測、航空航天遙感、地質分析、環境監測、醫學檢測診斷及軍事檢測等諸多方面有著重要的應用。
[0003]成像光譜儀所采用的分光技術直接影響著整個儀器的性能、結構的復雜程度、體積和重量等，因此，根據具體技術要求應該選擇合適的分光技術。現有技術是1992年芬蘭國立技術研宄中心實驗室報道的棱鏡-光柵-棱鏡分光元件(以下簡稱PGP)，并于1993年用于空中成像光譜儀AISA中。為了獲得光路的標準直視特性，PGP分光元件采用了兩塊棱鏡和一塊透射光柵，其中的透射光柵僅能采用由基底和保護玻璃作為保護層的體相位全息透射光柵，同時因體相位全息透射光柵的特殊性(使用時光線必須按唯一特定入射角入射)導致兩塊棱鏡的頂角設計唯一，導致其所構建的成像光譜儀在不增加準直物鏡和成像物鏡結構復雜度的情況下，系統存在明顯的譜線畸變(Smile和Keystone)。
[0004]如2009年9月第38卷第9期“棱鏡-光柵-棱鏡光譜成像系統的光學設計”中入射狹縫為7.6mm，譜線畸變中的Smile最小值為20 μ m、最大值達到61μπι;2012年I月第33卷第I期“棱鏡-光柵-棱鏡型光譜成像系統光學設計”中，入射狹縫長10mm，譜線畸變中的Smile約為50 μ m。
【發明內容】
[0005]本發明為了解決現有技術中存在譜線畸變較大，且光柵選擇唯一性的技術問題，提出一種棱鏡-光柵成像光譜儀的光路結構，進一步提高此類成像光譜儀的光學性能，主要是譜線畸變的矯正，同時優化核心分光元件，擺脫光柵選擇唯一性。
[0006]為解決上述技術問題，本發明技術方案如下:
[0007]棱鏡-光柵成像光譜儀的光路結，其包括入射狹縫、準直物鏡、棱鏡-光柵分光元件、成像物鏡和面陣探測器；準直物鏡和成像物鏡均采用透鏡組，可設計為相同的光學結構；所述棱鏡-光柵分光元件包括棱鏡、長通濾光片和透射光柵，長通濾光片設置在棱鏡和透射光柵之間，所述透射光柵可采用由基底和保護玻璃作為保護層的體相位全息透射光柵或表面刻劃透射光柵；
[0008]從入射狹縫出來的光經準直物鏡后變為平行光束，平行光束入射于棱鏡-光柵分光元件，平行光束依次經過棱鏡、長通濾光片和透射光柵實現色散分光，色散光束再由成像物鏡成像于面陣探測器上。
[0009]所述棱鏡-光柵分光元件包括棱鏡和透射光柵，長通濾光片設置在面陣探測器前方。
[0010]本發明的有益效果:該成像光譜儀中棱鏡-光柵分光元件采用棱鏡、長通濾光片和透射光柵組合而成，實現了譜線畸變矯正。透射光柵既可采用由基底和保護玻璃作為保護層的體相位全息透射光柵，也可選擇表面刻劃透射光柵，當采用表面刻劃透射光柵時，棱鏡的頂角不再唯一，可根據光譜范圍，光柵刻線密度，棱鏡材料，經過計算選擇合適的光柵入射角及棱鏡頂角來更加優越地矯正譜線畸變，從而減少儀器光譜儀定標和圖像處理的難度。
[0011]該成像光譜儀的光路結構近似直視，具有結構緊湊、體積小、重量輕、裝調簡單、穩定性高、成本低、方便使用、可批量生產及優越的譜線特性。
【附圖說明】
[0012]圖1是本發明的成像光譜儀結構示意圖。
[0013]圖2是本發明的棱鏡-光柵分光元件結構示意圖。
【具體實施方式】
[0014]如圖1所示，本發明棱鏡-光柵成像光譜儀的光路結構，其包括入射狹縫1、準直物鏡2、棱鏡-光柵分光元件、成像物鏡6和面陣探測器7。
[0015]入射狹縫1:采用光刻鉻板制作，不但均勻，且無毛刺，無缺口。
[0016]準直物鏡2和成像物鏡6:采用透鏡組結構，先設計成像物鏡6，設計時將孔徑光闌置于第一片透鏡前方一定距離處，并設計為像方遠心光路，經分析優化直至得到理想的成像物鏡。因準直物鏡2僅為提供平行光束，其像差要求相對于成像物鏡較小，為減少加工量和成本，則選擇準直物鏡2為成像物鏡6的倒置結構。
[0017]如圖2所不，棱鏡-光柵分光元件:其包括棱鏡3、長通濾光片4和透射光柵5，長通濾光片4設置在棱鏡3和透射光柵5之間。平行光束經過棱鏡3后光路發生偏折，再經過長通濾光片4，使光線按照透射光柵5要求的入射角進入透射光柵5進行色散分光。透射光柵5可采用體相位全息透射光柵或表面刻劃透射光柵。當透射光柵5采用體相位全息透射光柵時，棱鏡3的頂角具有唯一性。當采用表面刻劃透射光柵時，棱鏡3的頂角不再唯一，可根據光譜范圍，光柵刻線密度，棱鏡材料，經過計算選擇合適的棱鏡頂角及光柵刻線密度來更加優越地矯正譜線畸變，減少儀器光譜儀定標和圖像處理的難度。
[0018]面陣探測器7:用于接收成像物鏡6焦面上的空間圖像信息及其相應各點的光譜信息。
[0019]來自目標的條帶狀光輻射由前端成像物鏡成像于入射狹縫I處，從入射狹縫I出來的光經準直物鏡2后變為平行光束入射于棱鏡-光柵分光元件，平行光束依次經過棱鏡
3、長通濾光片4和透射光柵5實現色散分光，色散光束再由成像物鏡6成像于面陣探測器7上。從而得到目標第一維空間圖像和各相應空間點的光譜信息，當該光譜儀對目標第二維空間進行掃描時，則獲得目標的第二維空間圖像和各空間點的光譜信息。
[0020]所述棱鏡-光柵分光元件還可以由棱鏡3和透射光柵5組成，且在面陣探測器7前方設置長通濾光片4。
[0021]實施實例I
[0022]本發明的光路中:成像光譜儀工作波段為400?800nm，中心波長選擇633nm ;入射狹縫I長14mm，0為2.4 ;成像物鏡6采用六片式透鏡組結構(準直物鏡為其倒置結構)，焦距為54.1mm，視場為8.5° ;棱鏡頂角為10.42°，厚5mm ;透射光柵5為體相位全息透射光柵，基底和保護玻璃材料為B270，厚度均為1mm，光柵線密度為3001/mm，衍射級次為+1級；面陣探測器7為MPERX公司的B1920探測器，分辨率為1920 X 1080像素，像素大小為7.4 μ mX 7.4 μ m0
[0023]通過光學軟件進行光線追跡，后端成像物鏡光軸沿色散方向偏折3.58°，在整個光譜范圍內，有較好的成像質量，在400nm、633nm、800nm處，0、0.7、I視場處，MTFs在681ρ/mm時均大于0.7 ;更為突出的是譜線畸變得到了較好的矯正，譜線畸變僅為0.9 μ m，譜線彎曲最大值僅為I μπι。當上述總體條件不變時，采用現有技術PGP分光元件進行設計優化，儀器總體成像質量相近，MTFs有所下降且大于0.65，但譜線畸變高達12.1 μm，譜線彎曲最大值高達73.7 μm、最小值也達45.9 μπι。因此本發明相對現有技術實現了譜線畸變的矯正。
[0024]實施實例2
[0025]在實例I所設計的光學結果不變的情況下，僅將光柵改為刻劃透射光柵(光柵參數:基底材料為Β270，厚度為3mm，刻線密度為3001/mm，衍射級次為+1級)，重新進行光線追跡，成像光譜儀光學性能保持不變。
[0026]本發明可廣泛應用于航空航天遙感、地質分析、環境監測、工業在線生產分析及醫學檢測診斷等諸多領域。
【主權項】
1.棱鏡-光柵成像光譜儀的光路結構，其包括入射狹縫(I)、準直物鏡(2)、棱鏡-光柵分光元件、成像物鏡(6)和面陣探測器(7);準直物鏡(2)和成像物鏡(6)均采用透鏡組，可設計為相同的光學結構；其特征是，所述棱鏡-光柵分光元件包括棱鏡(3)、長通濾光片(4)和透射光柵(5)，長通濾光片(4)設置在棱鏡(3)和透射光柵(5)之間，所述透射光柵(5)可采用由基底和保護玻璃作為保護層的體相位全息透射光柵或表面刻劃透射光柵； 從入射狹縫(I)出來的光經準直物鏡(2)后變為平行光束，平行光束入射于棱鏡-光柵分光元件，平行光束依次經過棱鏡(3)、長通濾光片(4)和透射光柵(5)實現色散分光，色散光束再由成像物鏡(6)成像于面陣探測器(7)上。
2.根據權利要求1所述的棱鏡-光柵成像光譜儀的光路結構，其特征在于，所述棱鏡-光柵分光元件包括棱鏡(3)和透射光柵(5)，長通濾光片(4)設置在面陣探測器(7)前方。
【專利摘要】棱鏡-光柵成像光譜儀的光路結構，屬于成像光譜技術領域，為解決現有技術中存在譜線畸變較大，且光柵選擇唯一性的問題，該光路結構包括入射狹縫、準直物鏡、棱鏡-光柵分光元件、成像物鏡和面陣探測器；準直物鏡和成像物鏡均采用透鏡組，可設計為相同的光學結構；所述棱鏡-光柵分光元件包括棱鏡、長通濾光片和透射光柵，長通濾光片設置在棱鏡和透射光柵之間，所述透射光柵可采用具有較高衍射效率的體相位全息透射光柵或表面刻劃透射光柵；從入射狹縫出來的光經準直物鏡后變為平行光束，平行光束入射于棱鏡-光柵分光元件，平行光束依次經過棱鏡、長通濾光片和透射光柵實現色散分光，色散光束再由成像物鏡成像于面陣探測器上。
【IPC分類】G01J3-02, G01J3-28
【公開號】CN104535184
【申請號】CN201410804004
【發明人】崔繼承, 楊增鵬, 唐玉國, 潘明忠, 楊晉, 齊向東
【申請人】中國科學院長春光學精密機械與物理研究所
【公開日】2015年4月22日
【申請日】2014年12月22日