棱镜－光栅－棱镜光谱成像系统技术方案

本发明专利技术公开了一种棱镜－光栅－棱镜光谱成像系统，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系统结构，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。系统具有直视性、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系统。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种集成像与分光技术于一体的光谱成像系统，特别涉及一 种具有直视性的光谱成像系统。
技术介绍
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。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髙。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，提髙了衍射效率。在本专利技术作出之前，Mauri Aikio.在"Hyperspectral prism-grating-prism imaging spectrograph " ( VTT Publications, 2001,435:15-114) —文中，公开了一种成像光谱系统，它采用 了 PGP技术。在其提供的成像光谱系统中，PGP元件的两块棱镜顶角不同， 系统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，整个系统仍不够紧凑，长度和体积较大，所要求的像元大小为23微米X23 微米，光谱仪成像质量受到了一定的限制。
技术实现思路
本专利技术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 谱成像系统。为实现上述专利技术目的，本专利技术的供的技术方案是提供一种棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统，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；系统的像平面与光轴呈5.0 5.5度的倾斜，系统的 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亳米500 600线对。棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统的物方数值孔径为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，本专利技术的优点是光谱成像系统采用棱镜-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，系 统的长度仅为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，提髙了系统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；系统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 民用的超光谱成像系统。附图说明图1是本专利技术实施例所提供的棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统的结构示意图2是本专利技术实施例所提供的棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统的光路示意图3是本专利技术实施例所提供的棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统中棱镜光 栅棱镜(PGP)元件的结构示意图4是本专利技术实施例所提供的光学系统的光线追迹点列图； 图5是本专利技术实施例所提供的光学系统的能量集中度曲线图6是本专利技术实施例所提供的光学系统的相对照度曲线图； 图7是本专利技术实施例所提供的光学系统的传递函数曲线图； 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。具体实施例方式下面结合附图和实施例对本专利技术的技术方案作进一步的阐述 实施例一图1是本专利技术实施例所提供的棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统的结构示意 图。参见附图1, l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是上述光谱成像系统的光路示意图。参见附图2，入射狭缝l是由 光谱系统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)， 系统的光阑放在光栅上，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IO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是本专利技术实施例所提供的光谱成像系统中棱镜光栅棱镜(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，光栅常数为每亳米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ll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A沿着OO，入射到顶角为A的棱镜ll,折射角为01，然后以^的入射角至光栅13，出射光线的衍射角为03,并以入射角^入射至棱镜15的斜面，棱镜15的顶角为^，最后以折射角A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05=jS2 (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sin= wsin^ ( 2 )wsin04 = sin05 ( 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):0, U2 (4)(5)通过对(2) — (5)式的转换可得"sinQ32 — 03) = sin^32 (6)sin从=w本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种棱镜－光栅－棱镜光谱成像系统，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；系统的像平面与光轴呈５．０～５．５度的倾斜，系统的光阑放在光栅上，满足物、像方远心光路。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：沈为民，朱善兵，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：32[中国|江苏]