[实用新型]基于全息凹面光栅的C-T型结构成像系统

说明书

本实用新型提出了一种基于全息凹面光栅的C‑T型结构成像系统，解决现有C‑T光学系统存在结构复杂、体积较大、成本较高、能量利用率低的问题。该系统包括前置光学望远单元、衍射单元、探测单元和数据采集控制单元；前置光学望远单元包括前置镜组、光阑和准直镜；衍射单元包括全息凹面光栅；光阑位于前置镜组的像方焦面上，并且与准直镜的物方焦面重合；准直镜用于对入射光进行准直矫正；全息凹面光栅位于准直镜的反射光路上，用于对入射的平行光进行分光，并将分光光束中相同波长的光聚焦至探测单元表面；探测单元包括探测器，探测器位于全息凹面光栅的像方焦面上，用于接收入射方向目标分光后的光信号，并将光信号传输给数据采集控制单元进行处理。

技术领域

本实用新型属于成像领域，具体涉及一种基于全息凹面光栅的C-T型结构成像系统。

背景技术

成像光谱技术是一种集图像信息和光谱信息于一体的探测技术，通过获得“图谱数据立方体”对探测目标进行分析，被誉为光学仪器发展史中的一次飞跃，已远超传统全色光学相机(仅能获取目标轮廓和灰度特征)。由于成像光谱技术获取的数据量大，使得其广泛应用于众多领域，例如航天航空、环境监测、海洋环境探测等。光学系统作为成像光谱仪的核心部分，决定了光谱仪的光谱范围、色散率和分辨率等性能。传统的交叉式切尼-特纳(Czerny-Turner，简称C-T)光路和基本型C-T光路(M型光路)，因其光路结构紧凑、灵敏度较高和分辨率较高等特点，成为众多小型光谱仪光学系统的首选。

目前，在C-T光路中，分光元件主要为反射式光栅，根据面型可以分为中阶梯光栅、平面光栅和凹面光栅光路：

1.以中阶梯光栅作为分光元件的C-T光学系统

中阶梯光栅具有高色散率和分辨率，符合光谱仪对分辨率的性能要求，且衍射级次高，可以实现全谱闪耀。但是，中阶梯光栅自由光谱范围小，高光谱级次严重重叠，需要横向色散元件对光谱进行二次色散，使得C-T光学系统的结构复杂，加工工艺复杂，成本较高；

2.以平面光栅作为分光元件的C-T光学系统

C-T光学系统中，作为分光原件的平面光栅主要有两种：闪耀光栅和平面衍射光栅。以闪耀光栅作为例，入射光通过闪耀光栅，接收端的衍射光谱中没有色散的零级包含的光能量总是占总光能的很大一部分，其余光能分散在各级光谱中，而实际使用光栅时往往只利用它的某一级，其能量利用率低、体积较大，不能满足小型化的需求。

3.以凹面光栅作为分光原件的光学系统

传统的凹面光栅光谱仪中，凹面光栅具有像差修正功能，使得光路极大简化，无需进行其他形式的光路优化，即可自动得到宽光谱范围内具有较高分辨率且保持平直的谱面，但是，光栅衍射效率最高仅为25％～28％，系统总能量利用率也仅为25％～28％。

实用新型内容

本实用新型的目的是解决现有C-T光学系统存在结构相对复杂、体积相对较大、成本相对较高、能量利用率较低的问题，提出了一种基于全息凹面光栅的C-T型结构成像系统，本实用新型对现有的C-T光学系统进一步简化其结构、缩小体积、降低小型光谱仪成本，并提高其能量利用率。

为实现以上实用新型目的，本实用新型的技术方案为：

一种基于全息凹面光栅的C-T型结构成像系统，包括前置光学望远单元、衍射单元、探测单元和数据采集控制单元；所述前置光学望远单元包括沿光路依次设置的前置镜组、光阑和准直镜；所述衍射单元包括全息凹面光栅；所述光阑位于前置镜组的像方焦面上，并且与准直镜的物方焦面重合，用于调节入瞳的光通量，使光纤中通过被测介质的光进入C-T光路；所述准直镜用于对入射光进行准直矫正，使入射光变为平行光，并将平行光反射至全息凹面光栅；所述全息凹面光栅位于准直镜的反射光路上，用于对入射的平行光进行分光，并将分光光束中相同波长的光聚焦至探测单元表面；所述探测单元包括探测器，所述探测器位于全息凹面光栅的像方焦面上，用于接收入射方向目标分光后的光信号，并将光信号传输给数据采集控制单元进行处理。