[发明专利]棱镜－光栅－棱镜光谱成像系统

说明书

技术领域

本发明涉及一种集成像与分光技术于一体的光谱成像系统，特别涉及一种具有直视性的光谱成像系统。

背景技术

成像光谱仪结合了光学成像和光谱分光这两种历史悠久的技术，使之能同时得到物体的空间图像和丰富的光谱信息，具有图谱合一的优点。上个世纪80年代以来，一直受到各国科研机构极大的重视，在航空、航天器上进行陆地、大气、海洋等观测中有了广泛的应用。

分光技术主要有滤光片、棱镜、二元光学元件、干涉分光等方法，其中棱镜或光栅分光是一种传统的、比较成熟的分光方式。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。采用不同的棱镜组合可以做成直视的分光器件，比如阿米西棱镜，光束直进直出，但是单纯用棱镜组合的直视型分光器件色散是非匀排的，限制了某些波段的光谱分辨率。在“全息棱镜光栅和笔式分光镜”的一文中([J]应用激光，1998，18(2)：67-69)，公开了一种棱镜光栅(Grism)的分光元件，该技术的应用虽然减小了体积，但由于其采用了闪耀光栅，限制了能量利用率的提高。

1992年芬兰国立技术研究中心(VTT)实验室设计了棱镜-光栅-棱镜(PGP)组合的分光组件，可以达到直视性的优点，而且运用了体全息相位光栅，提高了衍射效率。在本发明作出之前，Mauri Aikio.在“Hyperspectral prism-grating-prism imaging spectrograph”(VTTPublications，2001，435：15-114)一文中，公开了一种成像光谱系统，它采用了PGP技术。在其提供的成像光谱系统中，PGP元件的两块棱镜顶角不同，系统的光阑放在光栅附近，准直物镜和成像物镜为三块玻璃结构，因此，整个系统仍不够紧凑，长度和体积较大，所要求的像元大小为23微米×23微米，光谱仪成像质量受到了一定的限制。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种光谱分辨率高，成像质量更好，结构紧凑，体积更小，易加工装调，降低生产成本的直视性光谱成像系统。

为实现上述发明目的，本发明的供的技术方案是：提供一种棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统，它包括棱镜-光栅-棱镜(PGP)组合的分光元件、准直物镜和成像物镜，所述的准直物镜为四片式镜片结构，其中，从入射狭缝往后的第二块镜片为负光焦度，其余三块镜片均为正光焦度；所述的PGP分光元件，其体全息相位光栅满足布拉格条件，光栅左和右边的两块棱镜呈轴对称分布；所述的成像物镜与准直物镜相同，准直物镜和成像物镜的镜片关于PGP分光元件呈轴对称分布；系统的像平面与光轴呈5.0～5.5度的倾斜，系统的光阑放在光栅上，满足物、像方远心光路。

所述的体全息位相光栅常数为每毫米500～600线对。

棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统的物方数值孔径为0.19，线视场为7.6mm，放大率为1∶1；它的工作波长在420～760nm范围内；它的长度尺寸小于85mm。

与现有技术相比，本发明的优点是：光谱成像系统采用棱镜-光栅-棱镜(PGP)组合的分光元件，因此，具有直视性，且结构紧凑，体积更小，系统的长度仅为85mm；PGP元件的左右两块棱镜轴对称，采用衍射效率较高的体全息相位光栅，满足布拉格条件，提高了系统的能量透过率；光阑放在光栅上，满足物、像方远心光路，在探测器表面可以达到均匀的能量分布；准直物镜和成像物镜采用了对称结构设计，由四片玻璃镜片组成，成像质量更好；系统中所使用镜片或棱镜全都是国产玻璃，可以降低生产成本，适合于批量生产，如应用于生物医学领域的光谱相机，也可制成笔式的看谱镜等民用的超光谱成像系统。

附图说明

图1是本发明实施例所提供的棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统的结构示意图；

图2是本发明实施例所提供的棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统的光路示意图；

图3是本发明实施例所提供的棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统中棱镜光栅棱镜(PGP)元件的结构示意图；

图4是本发明实施例所提供的光学系统的光线追迹点列图；

图5是本发明实施例所提供的光学系统的能量集中度曲线图；

图6是本发明实施例所提供的光学系统的相对照度曲线图；

图7是本发明实施例所提供的光学系统的传递函数曲线图；