[发明专利]一种基于体全息光栅组件分光的光谱分光成像系统光路

说明书

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