CN103134587A - 一种基于体全息光栅组件分光的光谱分光成像***光路 - Google Patents
一种基于体全息光栅组件分光的光谱分光成像***光路 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于体全息光栅组件分光的光谱分光成像***光路,在此***光路中采用体全息光栅作为分光元件。经过前置成像物镜、狭缝、准直物镜的平行光在全息元件处进行衍射分光,分光后经成像物镜会聚并成像在像面上,由CCD探测接收,整套***体积小、结构紧凑,光线可直进直出、光能利用率高、分光性能好。
Description
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***光路。
背景技术
光谱分光***是成像光谱仪的核心,根据分光原理分光***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***色散率低,分光性能较差。光栅分光***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***属典型的离轴***,存在着体积大、装调困难、稳定性差等缺陷。干涉色散***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***虽然综合性能较高,但受现阶段干涉***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***。此***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***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。
***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***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,***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***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***。
附图说明
图1是成像光谱仪光路***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***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***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。
成像物镜的全视场可根据以下公式计算
其中Hx、Hλ分别是像平面上空间维和光谱维方向的长度。
考虑到准直物镜和成像物镜对像差的校正有所不同,在选取准直物镜和成像物镜完全相同的结构时,可仅设计对像差校正严格的成像物镜,准直物镜采取它的倒置形式。
为了保证***的直视性,即入射光线与出射光线平行,分光***采用图2所示的三块体全息光栅的组合结构。如图2所示,平行光线垂直入射到第一块全息光栅,衍射光再以布拉格角度入射到第二块光栅,出射光经最后一块光栅衍射后射出,整个***设计以532nm波长的光为中心波长,第一块全息光栅的倾斜角θ,入射光水平入射,确保中心波长的光束直进直出。
与棱镜分光相比,体全息光栅具有以下特点:
(1)衍射方向由布拉格衍射条件决定,因此可以通过调整入射角度实现波段范围的选择;
(2)可以实现高衍射效率与较高光栅线密度的结合,同时可获得与偏振角度方向较低关联的高色散率;
(3)可制成较大尺寸的光栅元件;
(4)体全息光栅体积小、重量轻,可简化光谱仪器结构,提高设计效率;
(5)光栅外层有一层保护膜和玻璃,形成密闭空间,具备高稳定性;
(6)复制工艺简单,适于批量生产。
衍射效率是分光光栅的重要参数。由DCG材料制成的全息光学元件具有高的衍射效率和分辨率,但DCG的后期处理工艺复杂,由于明胶的涨缩,难以获得稳定的光学性能,此外DCG在自然环境中不稳定,对使用环境湿度很敏感,在高温、高湿下容易消像。本发明采用光致聚合物制作体全息光栅,经相干曝光后经过简单的处理即可,且制得的体全息光栅具有高衍射效率、高灵敏度、高分辨率、光谱响应宽、存储稳定等优点。
利用光致聚合物制作全息光栅的具体记录过程如图3所示,激光器1发出的光经偏振分光棱镜3分为振动方向互相垂直的两束线偏振光,其中一束经过λ/2波片8,调整光束与波片快慢轴的夹角,使其振动方向偏转90°,之后两束光分别通过偏振片9,经反射镜4、空间滤波器5、准直透镜6,最后以平行光在全息干板7上发生干涉,记录过程中需注意调整两束光光程相等。其中电子快门2用来控制曝光时间,所用器件参数如表1所示。
表1实验所用器件参数
器件名称 | 器件参数 |
半导体激光器 | 波长532nm,功率0-300mW |
电子快门 | Φ12.5 |
偏振分光棱镜 | Φ25.4,波长范围450-650nm |
λ/2波片 | Φ25.4,波长532nm |
偏振片 | Φ25.4偏振比500:1 |
反射镜 | Φ40波长532nm |
空间滤波器 | 40×,3个针孔 |
记录所得体全息光栅的光栅周期由下式求得:
2Λsinθb=λ (3)
其中Λ为光栅周期,θb为记录光夹角的一半,λ为记录光波长。当入射光束以布拉格角入射,即满足:
2Λsinθ=±λ (4)
衍射效率可大于95%,其中θ为光束入射角。
为了保证光束直进直出,三片光栅在记录过程中,改变两光束的夹角,
从而使光栅具有不同光栅周期、光栅矢量等,分光时光束以532nm光的布拉格角度入射,提高光能利用率。
此***色散率高、光谱范围宽、无光谱叠级现象,光线经全息分光组件可直进直出,在可见光范围内成像质量达到表2所示参数要求。
表2光谱成像仪***参数
指标 | 值 |
探测器尺寸大小 | 7.6mm×7.6mm |
探测器像元尺寸 | 25μm×25μm |
光谱范围 | 360nm~760nm |
物方数值孔径 | 0.18 |
***总长 | 100mm |
光谱像元分辨率 | 约1.33nm/pixel |
本发明所述全息分光组件具有以下几种特性:
(1)相比较于色散棱镜,此分光元件因使用体全息衍射光栅,能实现线性色散,并具有较高的色散率;
(2)透射型体全息光栅可以通过改变光栅周期、折射率调制度、光栅厚度来灵活地改变不同波长范围;
(3)由于采用透射型体全息光栅,分光元件的衍射效率可达75%以上,且衍射效率与光束的偏振特性无关;
(4)整套光谱仪光路***结构简单、稳定性高。
Claims (3)
1.一种基于体全息光栅分光组件的光谱分光成像***光路,其设计要点在于:选取准直物镜和成像物镜完全相同的结构时,可仅设计对像差校正严格的成像物镜,准直物镜采取它的倒置形式。
2.根据权利要求1所述一种基于体全息光栅分光组件的光谱分光成像***光路,其特征在于:分光元件为透射型体全息光栅,光栅由光致聚合物材料制成,衍射效率可达93%以上。体全息光栅的高衍射效率使得光能利用率增加,***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***结构紧凑、装调简单、稳定性强。
3.根据权利要求1所述一种基于体全息光栅分光组件的光谱分光成像***光路,其特征在于:为了保证***达到直视性,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,从而使得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。
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20130605 |
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WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |