CN101377569A - 棱镜-光栅-棱镜光谱成像*** - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种棱镜－光栅－棱镜光谱成像***，集成像与分光技术于一体，具有直视性。它主要由准直物镜、棱镜光栅棱镜(PGP)分光元件和成像物镜三大部分组成，PGP分光元件的棱镜呈轴对称分布，光线在光栅上的入射角和衍射角满足光栅的布拉格条件；准直物镜和成像物镜为相同的四片玻璃的***结构，且物、像方均满足远心光路，接收器表面照度均匀。不仅有较高的光能透过率，并且成像质量好。***具有直视性、体积小、便于携带、光谱分辨率高和加工装调容易的特点；所有的镜片或棱镜均采用国产普通玻璃制成，大大降低了批量生产的成本，可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***。

Description

棱镜-光栅-棱镜光谱成像***

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***，特别涉及一种具有直视性的光谱成像***。

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***属典型的离轴***，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***，它采用了PGP技术。在其提供的成像光谱***中，PGP元件的两块棱镜顶角不同，***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***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***。

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***，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；***的像平面与光轴呈5.0～5.5度的倾斜，***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***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***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，***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***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；***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***。

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***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***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***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***的光线追迹点列图；

图5是本发明实施例所提供的光学***的能量集中度曲线图；

图6是本发明实施例所提供的光学***的相对照度曲线图；

图7是本发明实施例所提供的光学***的传递函数曲线图；

其中，1、入射狭缝；2、准直物镜；3、PGP分光元件；4、成像物镜；5、像平面；6、光轴；7、色散分光后出射的三种不同波长的光线；8～10、三种不同波长的光的主光线；11、左(第一块)棱镜；12、基片；13、体全息相位光栅；14、保护玻璃；15、右(第二块)棱镜。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的阐述：

实施例一：

图1是本发明实施例所提供的棱镜-光栅-棱镜光谱成像***的结构示意图。参见附图1，1是入射狭缝；2是准直物镜，为四片式结构，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；3是棱镜光栅棱镜(PGP)分光元件，4是成像物镜，它与准直物镜完全一致，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；5是像平面，也就是CCD探测器接收表面，它与光轴呈5.32度的倾斜。

图2是上述光谱成像***的光路示意图。参见附图2，入射狭缝1是由光谱***得前置望远物镜对目标物体所成的像(前置望远物镜未具体给出)，***的光阑放在光栅上，物体在狭缝处的像经过准直物镜2后，主光线的准直光线在光轴6上，入射至PGP分光元件3，把不同波长的光分开，7为色散分光后出射的三种不同波长的光线，即主光线在PGP元件上分成三种不同波长的光，它们经成像物镜4聚焦在像平面5(CCD探测器)上，实现了放大率为1：1的成像，8、9和10为三种不同波长的光的主光线，它们均与光轴平行，满足物、像方远心光路，在CCD探测器接收表面上能均匀照射。

图3是本发明实施例所提供的光谱成像***中棱镜光栅棱镜(PGP)元件的结构示意图。参见附图3，11是第一块(左)棱镜，12是光栅的基片，13是体全息相位光栅，光栅常数为每毫米588线对，14是光栅的保护玻璃，15是第二块(右)棱镜，其中，体全息相位光栅13位于中间，左棱镜11与右棱镜15形状完全相同，并与光栅13呈轴对称分布。

图3中，OO’是平行于PGP元件底面的一轴线，并且与准直物镜和成像物镜的光轴在同一线上。中心波长光线以入射角β₁沿着OO’入射到顶角为β₁的棱镜11，折射角为θ₁，然后以θ₂的入射角至光栅13，出射光线的衍射角为θ₃，并以入射角θ₄入射至棱镜15的斜面，棱镜15的顶角为β₂，最后以折射角θ₅出射，棱镜11和15、光栅基片12和保护玻璃14均为同一种材料的玻璃，其折射率为n。如果要使出射光线仍在光轴上，需满足条件：

θ₅＝β₂          (1)

根据折射定律，两棱镜倾斜面上的入射角和出射角满足下面的关系式：

sinβ₁＝nsinθ₁    (2)

nsinθ₄＝sinθ₅     (3)

根据三角几何关系(如下图2所示)，光栅G入射角和衍射角与棱镜倾斜面上的角度有如下关系式(4)和(5)：

θ₁＝β₁-θ₂           (4)

θ₄＝β₂-θ₃           (5)

通过对(2)—(5)式的转换可得：

nsin(β₂-θ₃)＝sinβ₂  (6)

sinβ₁＝nsin(β₁-θ₂)  (7)

体全息相位光栅为非倾斜透射光栅，光栅的传播矢量与胶面平行，因此当入射角θ₂与衍射角θ₃相等时衍射效率最大，即满足布拉格条件得到：

${\mathrm{\θ}}_2={\mathrm{\θ}}_3=\arcsin \frac{{\mathrm{\λ}}_C}{2d}---\left(8\right)$

其中d为光栅频率，λ_C是中心波长。

再由上述式(6)、(7)和(8)可推出：

$\sin {\mathrm{\β}}_1=n\sin ({\mathrm{\β}}_1-\arcsin \frac{{\mathrm{\λ}}_C}{2d})---\left(9\right)$

β₁＝β₂           (10)

PGP元件参数β₁，β₂便可由玻璃折射率n，光栅常数d和中心波长λ_C确定。棱镜的宽度d₁，d₂与光线的直视性没有直接的关系，取适当值即可。中心波长的光线经PGP+1级衍射后光线仍然在光轴上，保持了光学***的同轴性。

本实施例所提供的光谱成像***具体的结构参数参见表1。

***的物方数值孔径为0.19，线视场为7.6mm，放大率为1：1，工作波长在420～760nm范围内。***中所使用的全都是国产玻璃。***的长度小于85mm，最大的有效口径是15mm，为同轴光学***，整个形状如一支钢笔。

图4是光学通过本实施例所述的光学***得追迹点列图，即入射狭缝的光线经过光谱仪后在接收像平面上的聚焦情况，图中，不同波长(420nm、585nm、760nm)在不同视场(0mm、2.7mm、3.8mm)处的点列图情况，每一个方框表示所用CCD一个像元的大小为15微米×15微米，由图4可见，像平面上不同波长的各个视场处的光线都聚焦在CCD一个像元内，表明该光学***具有较好的成像特性。

参见附图5，它是本实施例所述的光学***的能量集中度曲线，由图5可看出，85％以上的能量集中在CCD一个像元内。

参见附图6，它是本实施例所述的光学***在接受器表面上的相对辐射照度分布曲线图，由于***具有较好的像方远心性，从图中可以看出，像面照度分布十分均匀。

参见附图7，它是本实施例所述的光学***得调制传递函数曲线，由图可以看出，该光谱仪在所选探测器奈奎斯特频率处的传递函数值在0.8以上，具有较好的成像性能。

表1：

 

面序号	半径/mm	间隔/mm	材料	其他参数
					OBJ	Infinity	7.964
1	102.652	3.900	ZK11
					2	-11.980	8.314
3	-7.164	5.211	ZF6
					4	41.500	1.620
5	-21.235	2.800	LAF1
					6	-13.850	1.000
7	-337.479	4.450	ZK11
					8	-14.002	3.600
9	无穷大	7.600	K9	棱镜顶角18.65度
					Stop	无穷大			光栅常数5881p/mm
11	无穷大	7.600	K9	棱镜顶角18.65度
					12	14.002	4.450	ZK11
13	337.479	1.000
					14	13.850	2.800	LAF1
15	21.235	1.620
					16	-41.500	5.211	ZF6
17	7.164	9.000
					18	11.980	3.900	ZK11
19	-102.652	7.155
					IMA	无穷大

Claims (5)

1.一种棱镜-光栅-棱镜光谱成像***，它包括棱镜-光栅-棱镜组合的分光元件、准直物镜和成像物镜，其特征在于：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；所述的棱镜-光栅-棱镜组合的分光元件，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分光元件呈轴对称分布；***的像平面与光轴呈5.0～5.5度的倾斜，***的光阑放在光栅上，满足物、像方远心光路。

2.根据权利要求1所述的一种棱镜-光栅-棱镜光谱成像***，其特征在于：所述的体全息位相光栅常数为每毫米500～600线对范围。

3.根据权利要求1所述的一种棱镜-光栅-棱镜光谱成像***，其特征在于：它的物方数值孔径为0.19，线视场为7.6mm，放大率为1：1。

4.根据权利要求1所述的一种棱镜-光栅-棱镜光谱成像***，其特征在于：它的工作波长在420～760nm范围内。

5.根据权利要求1所述的一种棱镜-光栅-棱镜光谱成像***，其特征在于：它的长度尺寸小于85mm。

Images