棱镜-光栅-棱镜光谱成像系统的光学设计

　　0　引言

　　成像光谱仪结合了光学成像和光谱分光这两种技术,能同时得到物体的空间和光谱信息,具有图谱合一的优点.分光技术主要有滤光片、棱镜、衍射光学元件、干涉仪等分光方法[1-2].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[3]可以做成直视[4]的分光器件,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.而采用棱镜和光栅组合(Grism)而成的直视型分光器[5],可以得到比较均匀的色散,但是由于其采用的表面浮雕型衍射光栅,很难在宽波段范围内实现高的光能利用率.1992年芬兰国立技术研究中心实验室报导了PGP组合的分光器件,采用衍射效率高的体全息相位光栅,于1993年用于空中成像光谱仪(Airbornehiperspectral Imaging Spectrograph of Specim Ltd,AISA)中.中科院上海技术物理研究所最近有报导将此类分光组件用于显微高光谱系统[4].

　　本文首先介绍此成像光谱仪的工作原理与结构,然后探讨PGP元件的设计思想,分析准直物镜和成像物镜的设计要求,并给出一个设计实例及其像质评价.

　　1　工作原理与结构

　　PGP成像光谱仪的结构如图1,由前置望远物镜L、狭缝S、准直物镜L1、PGP元件和成像物镜L2组成,像平面上由CCD探测器来接收图像.位于远处的目标经前置望远物镜L成像在狭缝S处,狭缝S作为视场光阑,限制通光量,让落在狭缝内的光线进入光谱仪,通过狭缝入射的光经过准直物镜L1准直后入射至PGP分光器件,经PGP色散分光后的光线,通过成像物镜L2聚焦在焦平面C处,如图1中的λ1、λ2、λ3,即为不同的光谱分布.为保证系统达到直视性,光线直进直出,可以适当调整棱镜和光栅使中心波长的光线沿主轴出射.

　　CCD光敏面平行于狭缝方向记录空间信息的一维称之为空间维,垂直于狭缝的色散方向则称为光谱维.空间维上平行于狭缝的每一行光敏元得到一个波段的狭缝光谱像,光谱维上是不同波段的光谱信息,这样整个CCD光敏面上就得到多个不同光谱波段的狭缝光谱像.若让前置光学系统对目标形成的物像扫描通过入射狭缝,则能获得目标的二维空间图像及光谱数据,最后对所得到的数据进行处理,就可得到目标多个不同波段的光谱图像.

　　2　PGP元件

　　在PGP元件中使用的体积相位全息透射光栅有别于传统的浮雕型衍射光栅,其显著的特点是它保持了光栅表面的平面性,可以和前后棱镜胶合成一体.它的衍射效率要比浮雕型衍射光栅高[6],重铬酸盐明胶是制作体全息光栅的理想材料,其厚度和折射率调制度是影响衍射效率的重要因素[6-7].关于衍射效率的优化问题另作讨论.