[發(fā)明專利]一種基于體全息光柵組件分光的光譜分光成像系統(tǒng)光路

在審

• 申請?zhí)枺?/td>: 201310034408.6
• 申請日: 2013-01-29
• 公開（公告）號: CN103134587A
• 公開（公告）日: 2013-06-05
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 藍(lán)天;顧美霞;于躍;吳洪波;倪國強(qiáng)
• 申請（專利權(quán)）人: 北京理工大學(xué)
• 主分類號: G01J3/02
• 分類號: G01J3/02;G02B27/10;G02B27/44;G02B5/32
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技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種基于體全息光柵分光組件的光譜分光成像系統(tǒng)光路。

背景技術(shù)

光譜分光系統(tǒng)是成像光譜儀的核心，根據(jù)分光原理分光系統(tǒng)可分為色散式和調(diào)制式兩大類。目前調(diào)制式的僅有傅里葉變換光譜儀一種較為成熟。色散式主要應(yīng)用的有棱鏡、光柵、干涉儀三種。

棱鏡分光系統(tǒng)色散率低，分光性能較差。光柵分光系統(tǒng)具有寬的光譜測量范圍和高的分辨率，但普通平面衍射光柵存在光譜疊級現(xiàn)象，而且在傳統(tǒng)的棱鏡或光柵光譜儀器中，往往存在一個偏向角問題，即入射光束和出射光束不在同一條軸線上。這樣構(gòu)成的系統(tǒng)屬典型的離軸系統(tǒng)，存在著體積大、裝調(diào)困難、穩(wěn)定性差等缺陷。干涉色散系統(tǒng)具有突出的分辨率和光通量性能，但自由光譜范圍很窄，結(jié)構(gòu)和裝調(diào)復(fù)雜。傅里葉分光系統(tǒng)雖然綜合性能較高，但受現(xiàn)階段干涉系統(tǒng)極限光程差和光程差變化間隔的限制，目前優(yōu)勢主要體現(xiàn)在紅外波段。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明要解決的問題是克服現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種新型成像光譜儀光路系統(tǒng)。此系統(tǒng)采用三塊體全息光柵作為分光元件，高的衍射效率提高了整個系統(tǒng)的光能利用率，且入射光與出射光同軸，便于觀察。此光譜儀小型化、結(jié)構(gòu)緊湊、可直視，在可見光范圍內(nèi)具有很高的成像質(zhì)量。

系統(tǒng)包括前置望遠(yuǎn)物鏡、狹縫、準(zhǔn)直物鏡、分光元件、成像物鏡和CCD探測器。位于遠(yuǎn)處的物體經(jīng)望遠(yuǎn)物鏡成像在狹縫處，狹縫作為視場光闌，對入射光束進(jìn)行限制，進(jìn)入狹縫的光經(jīng)準(zhǔn)直物鏡準(zhǔn)直為平行光到達(dá)分光元件，分光元件由三塊體全息光柵組成，每塊全息光柵具有不同的厚度和光柵常數(shù)，光線經(jīng)全息元件的衍射作用分光，經(jīng)成像物鏡成像在像面上，由CCD探測和接收。

上述分光元件為透射型體全息光柵，由光致聚合物材料制成，衍射效率可達(dá)90%以上，為了保證系統(tǒng)達(dá)到直視性，即光線直進(jìn)直出，三塊光柵具有不同的厚度，且在曝光記錄過程中，制作光路各不相同，從而使三塊光柵具有不同的光柵矢量、光柵常數(shù)，且對同一波長的光具有不同的布拉格角。

采用上述技術(shù)方案后，本發(fā)明所提供的方法具有這樣的有益效果。體全息光柵高的衍射效率使得光能利用率增加，系統(tǒng)色散率高、光譜范圍寬、無光譜疊級現(xiàn)象，光線經(jīng)全息分光元件可直進(jìn)直出，整套系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊、裝調(diào)簡單、穩(wěn)定性強(qiáng)。在航天航空遙感光譜成像中具有很大的應(yīng)用潛力和優(yōu)勢，其結(jié)構(gòu)緊湊和直視型特點(diǎn)也適用于顯微超光譜成像系統(tǒng)。

附圖說明

圖1是成像光譜儀光路系統(tǒng)組成原理圖；

圖2為透射型體全息光柵分光原理圖；

圖3為透射型體全息光柵記錄光路圖；

圖1中：前置望遠(yuǎn)物鏡1狹縫2準(zhǔn)直物鏡3全息分光組件4成像物鏡5CCD探測6；

圖2中：保護(hù)玻璃1透射型體全息2光柵基板3；

圖3中:激光器1電子快門2偏振分光棱鏡3反射鏡4空間濾波器5準(zhǔn)直透鏡6全息干板7λ/2波片8偏振片9。

具體實(shí)施方式

如圖1所示遠(yuǎn)處的目標(biāo)經(jīng)望遠(yuǎn)物鏡1成像在狹縫2處，進(jìn)入狹縫的光經(jīng)過準(zhǔn)直物鏡3到達(dá)全息分光組件4進(jìn)行分光，平行光束經(jīng)分光后由成像物鏡5成像在像面處，由CCD探測器6接收。

準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡是光譜成像系統(tǒng)的重要組成部分，準(zhǔn)直物鏡把通過狹縫的光線準(zhǔn)直后入射至分光器件，成像物鏡則把色散光線會聚成像在像平面上。對于成像光譜儀，其能量利用率是系統(tǒng)重要性能指標(biāo)，因此，在設(shè)計準(zhǔn)直物鏡和成像物鏡時，應(yīng)盡量增大相對孔徑。

當(dāng)CCD的尺寸選定，即成像面的譜面寬度一定，根據(jù)所需的光譜范圍即可確定線色散率。光柵的線色散率和成像物鏡焦距f₂的函數(shù)關(guān)系為

其中k是衍射級次，d是光柵常數(shù)，是波長為λ的入射光的衍射角，σ是光譜像平面相對垂軸平面的夾角。成像物鏡的焦距f₂選定后，便可確定光柵常數(shù)d。

成像物鏡的全視場可根據(jù)以下公式計算