CN212567670U - 基于全息凹面光栅的c-t型结构成像*** - Google Patents
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Abstract
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***，解决现有C‑T光学***存在结构复杂、体积较大、成本较高、能量利用率低的问题。该***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。
Description
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***。
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***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***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***
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***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***
C-T光学***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***
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％，***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***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***，本实用新型对现有的C-T光学***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***，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。
进一步地，所述准直镜为离轴抛物镜，离轴角不超过5°
进一步地，所述全息凹面光栅的出射光线相对于入射光线的倾斜角不超过5°。
进一步地，所述全息凹面光栅的光栅频率为0.3lines/μm。
进一步地，所述探测单元接受衍射级次为+1级的衍射光。
进一步地，所述前置光学望远单元选用的玻璃型号为HERAEUS.AGF系列玻璃。
进一步地，所述探测单元为CCD图像探测器。
与现有技术相比，本实用新型技术方案的有益效果为：
1.本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***采用全息凹面光栅取代传统的交叉式切尼-特纳中的光栅和聚焦球面反射镜，将这两种功能结合，极大简化光路，进一步实现小型化，使得该成像***结构简单、体积较小、成本较低，可用于远紫外光谱及远红外光谱区域和微型光谱仪中。
2.本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***使用全息凹面光栅作为色散元件，可减少吸收现象，该光路中只存在准直面和光栅面两次反射的光损失，且无色差，应用于光谱仪极大提高了能量利用率。
3.本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***中，由于全息凹面光栅本身具有反射聚焦能力，因此可以简化交叉式切尼-特纳光路，使结构中省去用于反射聚焦的平面镜，使得成像***光路的稳定性较好，进而使得光谱仪具有非常好的稳定性。
4.本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***中，全息凹面光栅因其特殊的加工工艺消除了鬼线的影响，具有像差修正功能，无需进行其他形式的光路优化，即自动得到宽光谱范围内的具有高分辨率的平直谱面。
附图说明
图1为本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***的光路原理图；
图2为本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***光路仿真图；
图3为本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***的像质评价图；
图4为现有交叉式C-T光路的像质评价图。
附图标记：1-前置光学望远单元，2-衍射单元，3-探测单元，4-数据采集控制单元，11-前置镜组，12-光阑，13-准直镜，21-全息凹面光栅。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步详细描述：
本实用新型提出一种基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***，该***中，全息凹面光栅取代传统的交叉式切尼-特纳中的光栅和聚焦球面反射镜，将这两种功能结合，极大简化光路，进一步实现小型化，保留C-T光路优势的同时，结合全息凹面光栅无鬼线、修正像差的优势，提高了光谱仪的能量利用率，同时具有更好的修正像差。
如图1所示，本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***主要由前置光学望远单元1、衍射单元2，探测单元3与数据采集控制单元4组成。其中，前置光学望远单元1包括沿光路依次设置的前置镜组11、光阑12和准直镜13，衍射单元2包括全息凹面光栅21，探测单元3包括探测器，数据采集控制单元4即传输和用户端。光阑12位于前置镜组11的像方焦面上，且与准直镜13的物方焦面重合，其作用是调节入瞳的光通量，使光纤中通过被测介质的光进入C-T光路；准直镜13的作用是对入射光进行准直矫正，使以同心圆入射的入射光变为平行光，并将平行光打到全息凹面光栅21上；全息凹面光栅21位于准直镜13的反射光路上，有两种作用，一是对入射光分光，二是使分光后的光束中相同波长的光聚焦到探测器表面；探测器位于全息凹面光栅21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4进行处理。
如图2所示，基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***的工作原理如下：入射光通过光阑12进入C-T光路，经由准直镜13反射，以平面光波传播到全息凹面光栅21上，全息凹面光栅21将打到栅面上的复色光进行衍射分光，反射出发散光束，由于全息凹面光栅21本身起到聚焦作用，因此，同波长的单色光将聚集到位于全息凹面光栅21焦面的探测器上，探测器进行光谱数据收集。
本实用新型成像***中，准直镜13具体可采用离轴抛物镜，实现离轴光束的无像差聚焦，离轴角不超过5°。全息凹面光栅21选用全反射全息凹面光栅，出射光线相对于入射光线的倾斜角不超过5°。探测器选用CCD图像探测器，利用其具有高敏感度，低光度的入射光也能侦测到的优点，使其可以应用于低光度环境中，提高了能量利用率。
在本实用新型实施例中，全息凹面光栅21的离轴角具体可为5度，用于接收经准直镜13反射后的平行光束，其光栅频率可为0.3lines/μm，且探测器接受衍射级次为+1级的衍射光，全息凹面光栅21决定了入瞳直径，经计算入瞳直径为21.76mm。探测器位于全息凹面光栅21的像方焦面上。定义Z轴为光轴方向，沿Z轴正方向逆时针旋转90度即为Y方向，与面ZOY垂直的轴即为X轴。探测器相对于X轴的表面倾斜可为12度，为使探测器位于像面上，探测器在Y轴正方向上有一定的偏心，通过调整角度与位置，使得不同波长的像方焦点处于同一个面上并落于探测器上。
基于上述结构设置，本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***具有以下特点。
本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***使用全息凹面光栅21作为色散元件，可减少吸收现象，该光路中只存在准直面和光栅面两次反射的光损失，且无色差，应用于光谱仪极大提高了能量利用率。
本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***中，由于全息凹面光栅21本身具有反射聚焦能力，因此可以简化交叉式切尼-特纳光路，使结构中省去用于反射聚焦的平面镜，光路的稳定性使得光谱仪具有非常好的稳定性；同时，该***结构更加紧凑，可适用于微型光谱仪中。
本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***中，全息凹面光栅21因其特殊的加工工艺消除了鬼线的影响，具有像差修正功能，无需进行其他形式的光路优化，即自动得到宽光谱范围内的具有高分辨率的平直谱面。
本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***可用于远紫外光谱及远红外光谱区域。该全息凹面光栅21的光栅常数可为3.3μm，从而实现精细分光，前置光学望远单元1选用的玻璃型号为HERAEUS.AGF系列下的玻璃，可通光波长范围横跨极远真空紫外到远红外波段，通过仿真可以得到其像差符合评价标准。以点列图为例，如图4所示，可以得出现有交叉式C-T光路的弥散斑半径为6299.15～6299.61μm。如图3所示，本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***的弥散斑半径为3234.96～3235.34μm，由此可知本实用新型基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***的光谱分辨率更高。
Claims (7)
1.一种基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***，其特征在于：包括前置光学望远单元(1)、衍射单元(2)、探测单元(3)和数据采集控制单元(4)；
所述前置光学望远单元(1)包括沿光路依次设置的前置镜组(11)、光阑(12)和准直镜(13)；所述衍射单元(2)包括全息凹面光栅(21)；
所述光阑(12)位于前置镜组(11)的像方焦面上，并且与准直镜(13)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(13)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(21)；
所述全息凹面光栅(21)位于准直镜(13)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(3)表面；
所述探测单元(3)包括探测器，所述探测器位于全息凹面光栅(21)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(4)进行处理。
2.根据权利要求1所述的基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***，其特征在于：所述准直镜(13)为离轴抛物镜，离轴角不超过5°。
3.根据权利要求1或2所述的基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***，其特征在于：所述全息凹面光栅(21)的出射光线相对于入射光线的倾斜角不超过5°。
4.根据权利要求3所述的基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***，其特征在于：所述全息凹面光栅(21)的光栅频率为0.3lines/μm。
5.根据权利要求4所述的基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***，其特征在于：所述探测单元(3)接受衍射级次为+1级的衍射光。
6.根据权利要求5所述的基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***，其特征在于：所述前置光学望远单元(1)选用的玻璃型号为HERAEUS.AGF系列玻璃。
7.根据权利要求6所述的基于全息凹面光栅的C-T型结构成像***，其特征在于：所述探测单元(3)为CCD图像探测器。
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| CN202021537634.8U CN212567670U (zh) | 2020-07-29 | 2020-07-29 | 基于全息凹面光栅的c-t型结构成像*** |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111811650A (zh) * | 2020-07-29 | 2020-10-23 | 中国科学院西安光学精密机械研究所 | 基于全息凹面光栅的c-t型结构成像*** |
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2020
- 2020-07-29 CN CN202021537634.8U patent/CN212567670U/zh active Active
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