棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计
光学选修课结课论文：高光谱成像系统
高光谱成像系统人眼是人类认识外部世界的重要器官，它给我们带了很多的方便。
但是，它并非完美。
有些它本身的局限，如它对外部世界的描述相当于一个积分器，是一个整体的感知。
不能够对各波段光的分布情况显示。
现实生活中，我们恰恰需要对某件物品或者某个整体进行光谱分析从而研究其各部分的理化性质。
那么，多光谱成像仪和高光谱成像仪便应运而生。
多光谱成像技术和高光谱成像技术是有较大区别的。
高光谱和多光谱实质上的差别就是：高光谱的波段较多，谱带较窄。
多光谱相对波段较少。
这里就浅显地介绍高光谱成像系统。
高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。
所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B的区别，而是在光谱维度上也有N个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。
因此，通过高光谱设备获取到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。
高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。
目前高光谱成像技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。
下面将分条介绍。
一、光栅分光原理。
在经典物理学中，光波穿过狭缝、小孔或者圆盘之类的障碍物时，不同波长的光会产生不同程度的弯散传播，再通过光栅进行衍射分光，形成一条条谱带。
也就是说：空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。
一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。
高分辨率中阶梯光栅-棱镜交叉色散光路设计
的方 向 ， 在该方 向上光栅分辨率公式变为
Ｒ — ｍＮ — Ｗ
— —
ｉ ｎｉ ＋ ［ ｓ
— — —
—
ｓ ｉ ２ ０ ｎ （ Ｂ
－
—
—
－
—
一
ｉ ） ］
（ ３ ）
Ａ
ｗ 为光栅刻划宽度 。令 ｄ Ｒ ／ ｄ ｉ 一０ ，那么 当 ｉ 一 时， Ｒ有极 大值 。因此 ，中阶梯光栅工作在 ｉ ＝Ｏ ＝Ｏ Ｂ的 Ｌ ｉ ｔ ｔ ｒ ｏ ｗ条 件下 ， 能获得最佳光谱 分 辨效 果 和最 高 峰值衍 射效 率［ ３ ］ 。在 实 际 中， 严格 的 Ｌ ｉ ｔ ｔ ｒ ｏ ｗ 结构使得 光路安 排异常 困难 ，通常采 用 入射光线与光栅主截 面有离 面角 ｙ的准 Ｌ ｉ ｔ ｔ ｒ ｏ ｗ结 构 ，如 图
计 了棱 镜 反 射 式 的交 叉 色 散 光 路 。本 文 系 统 阐述 了 中 阶 梯 光 栅一 棱 镜 交 叉 色 散 光 路 的 设 计 方 法 ，并 以 商 用 光 谱 分 析 仪 器 的光路为例 ， 设 计 了 基 于 球 面 镜 的 中 阶 梯 光 栅一 透 射 棱 镜 交 叉 色 散 光 路 ，实验 结 果 表 明 ， 光 路对 Ｈｇ灯 ５ ４ ６ ｎ ｌ ＇ ｎ波 长 的 分
第３ ３ 卷， 第６ 期 ２ ０ １ ３ 年 ６月
光
谱
学
与
光
谱
分
析
Ｖ ｏ １ ． ３ ３ ， Ｎ ｏ ． ６ ， ｐ ｐ １ ７ ０ ６ — １ ７ １ ０
Ｊ ｕ ｎ ｅ ，２ ０１ ３
Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｓ ｃ ｏ ｐ ｙ ａ ｎ ｄ Ｓ ｐ ｅ ｃ ｔ ｒ ａ ｌ Ａｎ ａ ｌ ｙ ｓ ｉ ｓ
基于Offner结构分视场成像光谱仪光学设计
基 于 Ｏｆ ｆ ｎ ｅ ｒ结构 分 视 场成 像 光谱 仪 光学 设计
吴从均 ， 颜 昌翔ｈ ， 刘 伟 ， 代 虎
１ ．中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空 间光学一部 ， 吉林 长春
２ ．中国科学院大学 ，北京 １ ０ ０ ０ ４ ９
１ ３ ０ ０ ３ ３
摘 要 为满足航天应用 中仪器小型和轻量化 、大视 场的观测 要求 ，通过分 析现有 Ｏ ｆ ｎ ｅ ｒ 成 像光谱 仪 ，给 出了一 种简单 的采用 凸面光栅设计成像光谱仪的方法 。 并据此方法设计 了一应用于 ４ ０ ０ ｋ ｍ高度 ，波段范 围 为０ ． ４ ～１ ｍ， 焦距为 ７ ２ ０ Ｆ ｌ ｉ ｔ ｒ １ ， Ｆ数为 ５ ， 全视场大小为 ４ ． ３ 。 的分视场成像光谱仪系统。分视场采用光纤将
件， 各 自存在一定 的缺点 。 傅 里叶变换光谱 仪虽然是 一种 比
Ｆ ６ ｒ ｙ 棱镜 作为分光 元件设计 了光谱范 围在 ０ ． ４ ～２ ． ５ ｆ ｍ 的 成像光谱仪。一些相关文献中还对 Ｏ ｆ ｎ ｅ ｒ 成像光谱仪 的机械 结构设计 ＿ ９ ］ 、图像数据压缩 、装调方 法＿ １ ０ ¨ 和杂散光＿ 】 ］ 的分
Ｏ ｆ ｆ ｎ ｅ ｒ 光栅成像光谱仪在 ２ ｏ 世纪 ９ Ｏ年代初就已经被提
出了，随着光栅 制造 水平 的提高 ， 其 结构简单 、利 于小型化 的突 出优势 逐 渐被 放 大 ，已经 在 应用 中崭露 头 角［ ４ ］ 。文献
［ ５ ， ６ ］ 分别从如何消除像散等离 轴像 差上分析 了 Ｏｆ ｆ ｎ ｅ ｒ 成像
望远系统的细长像面连接到光谱仪 的三个不 同狭缝而实现 。 三狭缝光谱 面共用 一个像元数 为 ｌ ０ ２ ４ ×１ ０ ２ ４ ， 像元大小 １ ８ ｍｘ１ ８ ｍ 的 Ｃ Ｃ Ｄ探测 器 。 通过 Ｚ Ｅ ＭＡ Ｘ软 件优化 和公 差分 析后 ， 系统 在 ２ ８ ｌ ｐ・ ｍ ｍ＿ １ 处 ＭＴＦ优于 ０ ． ６ ２ ， 光谱分辨率优于 ５ ｎ ｍ， 地面分辨率小于 １ ０ ｍ， 能很好的满足大视场应用要求 ， 该光学系统 刈幅宽度相 当于国内已研 制成 功的同类最好仪器 的三倍 。
各种单色仪的探究
各种单色仪的探究不同单色仪的探究摘要：本文综合介绍了不同种类的单色仪以及各自的原理，并且对棱镜单色仪和光栅单色仪的优缺点进行了一些比较，最后对单色仪的现状进行了一些阐述，对单色仪中存在的一些问题进行了简单归纳。
关键词：棱镜单色仪，光栅单色仪，单色仪比较1666年，牛顿在研究三棱镜时发现太阳光通过三棱镜后被分解成了七色光。
1814年，夫琅禾费设计了一套包括棱镜、狭缝和视窗的光学系统并观察了太阳光谱中的吸收谱线。
1860年，克希霍夫和本生为研究金属光谱而设计了较完善的现代光谱仪，标志着光谱学的诞生。
如今光谱分析已经是现在研究物理光学的主要分析手段，在科研和生产等方面发挥着极大的作用。
在光谱分析中，无论是对于荧光光谱，还是穿透吸收光谱，还是拉曼光谱的研究，获得单色光是不可缺少的手段。
除了单色光源外、颜色玻璃和干涉滤光片外，单色仪也是一种获得单色光的途径。
单色仪是一种通过色散、衍射等方法将紫外、可见和红外的光谱区里的复合光分解成不同波长的单色光。
按照不同的分类标准，单色仪可以分为很多种。
常用的单色仪分为光栅单色仪和棱镜单色仪。
光栅单色仪按光束入射方式可分为正入射、掠入射和投射单色仪；按光学系统分布可分为罗兰圆和非罗兰圆；按衍射光栅面型可分为平面、球面和环面单色仪。
一、不同种类的单色仪 1、棱镜单色仪棱镜单色仪是晶体单色仪的一种，此类单色仪是以晶体作为分光元件的，用作同步辐射X射线波段的分光系统，由于晶体单色仪的衍射面是晶格面，所以真空环境的要求可以比较低（10Pa）。
普通的棱镜单色仪通常由三部分组成，准光镜系统、色散系统和成谱系统。
如下图所示：-1准光镜系统，它是由准直光物镜L1和放在L1焦平面上的狭缝S组成；色散系统，它是由棱镜P等组成；成谱系统，它是由物镜L2和在其焦平面上的像屏组成。
成谱系统形式的不同，仪器的名称就不同。
若采用的是望远镜来观察光谱，则叫做“棱镜分光镜”；若采用物镜和感光板进行摄谱，则叫做“棱镜摄谱仪”；若用狭缝来分离谱线，则叫做“单色仪”。
全息光栅的设计制作
全息光栅的设计制作光栅是重要的分光元件之一, 由于它的分辨率优于棱镜, 因而许多光学仪器中都采用光栅代替棱镜作为分光的主要元件, 如单色仪、光谱仪、摄谱仪等。
此外, 光栅在现代光学中的应用日趋广泛, 如光通信中用作光耦合器、光互连中用作互连元件、激光器用作选频元件、光信息处理用作编码器、调制器、滤波器等等。
全息光栅制作技术是20世纪60年代随着全息技术的发展而出现的, 因其具有传统刻划光栅所不具备的一些优点而受到人们的重视。
目前, 全息光栅在某些方面已经取代刻划光栅, 在光栅家族中占有了一席之地。
[实验目的]1.掌握用全息方法制作光栅的基本原理；2.掌握全息实验光路的基本调节方法和一维光栅的制作技巧；3.了解全息光栅的基本特性和测试方法；4.初步了解全息记录介质—卤化银乳胶的特性和干板的处理方法。
[实验仪器]全息防震平台（2m ×1.5m ）, He-Ne 激光器, 反射镜（若干）, 分束镜, 针孔滤波器, 干板架, 全息干板。
[实验原理]一. 全息光栅制作原理由光的干涉原理可知, 两束平行的相干光干涉, 干涉场是一组明暗相间的等间隔的平面族, 其周期由两束平行光的夹角和光波波长所确定。
若将全息记录干板置于该干涉场中, 则干板上记录到的干涉条纹将呈等间隔的平行直线条纹, 这就是全息光栅。
设两束平行光与光轴的夹角分别为θ1和θ2, 光波波长为λ, 显然, 干板记录的全息光栅的透射率应该呈余弦函数分布, 称为余弦光栅。
⎪⎭⎫ ⎝⎛-=⎥⎦⎤⎢⎣⎡⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛++===⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛+=+===---x U x U e e U UU U I e e U U U U e U U e U U x j x j x j x j x j x j λθθπλθθπλθθπλθθπλθπλθπλθπλθπ212202120sin sin 2sin sin 220*2sin 2sin2021sin 202sin 201sin sin cos 4sin sin 2cos 122;;;21212121由干涉原理可知, 全息光栅常数d 由下式确定:πλθθπ=-d 21sin sin ;LD d f ≈--==21210sin sin ;sin sin 1θθλθθ ;;0λλDL d L D f ==或f 0是光栅空间频率, 表征了光栅线密度特性, 其单位通常用“lp/mm ” （lp 表示“线对”, 指一条亮纹和一条暗纹构成的一个“线对”, 对应光栅的一个周期）。
短波红外成像光谱仪性能检测与定标装置
第37卷，增刊红外与激光工程2008年6月V ol.37SupplementInfrared and Laser EngineeringJun.2008收稿日期：2008-06-06作者简介：何志平（），男，江西新余人,助理研究员，主要从事光学系统设计、光电系统检测等方面的研究。
z @短波红外成像光谱仪性能检测与定标装置何志平，刘强，徐卫明，谢锋，舒嵘，王建宇(中国科学院上海技术物理研究所，上海200083)摘要：描述了短波红外成像光谱仪研制中所涉及的系统总体性能检测与定标装置。
短波红外成像光谱仪是一台基于棱镜-光栅-棱镜（PGP ）组合分光的、推帚式成像的航空成像光谱仪，其探测波段为1000～2500nm ，视场角为24°。
短波红外成像光谱仪的系统总体性能检测贯穿于仪器研制的全过程中，包括对仪器关键器件的测试，仪器的空间分辨率、视场角及内方位元素等总体指标的测试；短波红外成像光谱仪的定标包括实验室及外场的光谱及辐射定标，它们是仪器研制成功及深入应用的重要保证。
最后，介绍了仪器在实验室成像及航空实验成像状况。
关键词：短波红外；成像光谱仪；检测；定标中图分类号：TN21文献标识码：A文章编号：1007-2276(2008)增(红外)-0531-05Equipment of per for mance testing and calibration of shor twaveinfrared hyperspectral imagerHE Zhi-ping,LIU Qiang ，XU Wei-m ing,XIE Feng,SHU Rong,WANG Jian-yu（Shanghai Institute of Technical Physics ,Chines e Academy of Sciences ,Shanghai 200083,China ）Abstr act:The equipment and technique of performance testing and calibration that had involved in the development of Shortwave Infrared Hyperspectral Im ager (SWHI)was presented.The SWHI was an airborne pushbroom hyperspectral im ager based on Prism-Grating-Prism(PGP)taken as dispersing element,and its wavelength range was 1000～2500nm ，field of view is 24°，spectral channels is 128channels.The dispersing element is tested during the development of the SWHI,and the system performance was tested and calibrated,include spectral overlapping from different order,spatial resolution,spectral and radiation calibration,etc.Key wor ds:Shortwave ；Hyperspectral im ager ；Testing ；Calibration0引言光学成像技术和光谱技术是历史悠久而又应用广泛的两种光电技术，它们通过接收来自目标的光辐射，对目标进行分析和识别。
分光系统(
（一） 棱镜（Prism） 1、棱镜的作用是把复合光分解为单色光。这是由于不同波长的光在同一介质中具 有不同的折射率而形成的。
常用的棱镜有 Cornu（考纽）棱镜是顶角 a 为 60°的棱镜； 为了防止生成双像， Littrow（立特鲁）棱镜是由 2 个 30°棱镜组成，一边为左旋石英，另一边为右旋石 英，左旋、右旋石英做成 30°棱镜。
好
sin A + θ = n sin A
2
2
（1）角色散率（偏向角随波长的变化率）
sin A + θ = n sin A 棱镜公式（等腰）
2
2
27
1 2
cos
A+ 2
θ
⋅
dθ dλ
=
sin
A 2
⋅
dn dλ
........∴
dθ dλ
=
2 sin cos A
A
2 +θ
⋅
dn dλ
2
Q cos A + θ = 1 − sin 2 A + θ = 1 − n 2 sin 2 A
二、分光系统（ monochromator, wavelength selector） 分光系统：将由不同波长的“复合光”分开为一系列“单一” 波长的“单色光”的器件。
理想的 100%的单色光是不可能达到的，实际上只能获得的是具有一定“纯 度”的单色光，即该“单色光具有一定的宽度（有效带宽）。有效带宽越小，分析的 灵敏度越高、选择性越好、分析物浓度与光学响应信号的线性相关性也越好。 构成：狭缝、准直镜、棱镜或光栅、会聚透镜。
光学选修课结课论文：高光谱成像系统
高光谱成像系统人眼是人类认识外部世界的重要器官，它给我们带了很多的方便。
但是，它并非完美。
有些它本身的局限，如它对外部世界的描述相当于一个积分器，是一个整体的感知。
不能够对各波段光的分布情况显示。
现实生活中，我们恰恰需要对某件物品或者某个整体进行光谱分析从而研究其各部分的理化性质。
那么，多光谱成像仪和高光谱成像仪便应运而生。
多光谱成像技术和高光谱成像技术是有较大区别的。
高光谱和多光谱实质上的差别就是：高光谱的波段较多，谱带较窄。
多光谱相对波段较少。
这里就浅显地介绍高光谱成像系统。
高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。
所谓高光谱图像就是在光谱维度上进行了细致的分割，不仅仅是传统所谓的黑、白或者R、G、B 的区别，而是在光谱维度上也有N个通道，例如：我们可以把400nm-1000nm分为300个通道。
因此，通过高光谱设备获取到的是一个数据立方，不仅有图像的信息，并且在光谱维度上进行展开，结果不仅可以获得图像上每个点的光谱数据，还可以获得任一个谱段的影像信息。
高光谱成像技术是基于非常多窄波段的影像数据技术，它将成像技术与光谱技术相结合，探测目标的二维几何空间及一维光谱信息，获取高光谱分辨率的连续、窄波段的图像数据。
目前高光谱成像技术发展迅速，常见的包括光栅分光、声光可调谐滤波分光、棱镜分光、芯片镀膜等。
下面将分条介绍。
一、光栅分光原理。
在经典物理学中，光波穿过狭缝、小孔或者圆盘之类的障碍物时，不同波长的光会产生不同程度的弯散传播，再通过光栅进行衍射分光，形成一条条谱带。
也就是说：空间中的一维信息通过镜头和狭缝后，不同波长的光按照不同程度的弯散传播，这一维图像上的每个点，再通过光栅进行衍射分光，形成一个谱带，照射到探测器上，探测器上的每个像素位置和强度表征光谱和强度。
一个点对应一个谱段，一条线就对应一个谱面，因此探测器每次成像是空间一条线上的光谱信息，为了获得空间二维图像再通过机械推扫，完成整个平面的图像和光谱数据采集。
红外光谱仪的种类和工作原理
一、红外光谱仪的种类红外光谱仪的种类有：①棱镜和光栅光谱仪。
属于色散型，它的单色器为棱镜或光栅，属单通道测量。
②傅里叶变换红外光谱仪。
它是非色散型的，其核心部分是一台双光束干涉仪。
当仪器中的动镜移动时，经过干涉仪的两束相干光间的光程差就改变，探测器所测得的光强也随之变化，从而得到干涉图。
经过傅里叶变换的数学运算后，就可得到入射光的光谱。
这种仪器的优点：①多通道测量，使信噪比提高。
②光通量高，提高了仪器的灵敏度。
③波数值的精确度可达0.01厘米-1。
④增加动镜移动距离，可使分辨本领提高。
⑤工作波段可从可见区延伸到毫米区，可以实现远红外光谱的测定。
近红外光谱仪种类繁多，根据不用的角度有多种分类方法。
从应用的角度分类，可以分为在线过程监测仪器、专用仪器和通用仪器。
从仪器获得的光谱信息来看，有只测定几个波长的专用仪器，也有可以测定整个近红外谱区的研究型仪器;有的专用于测定短波段的近红外光谱，也有的适用于测定长波段的近红外光谱。
较为常用的分类模式是依据仪器的分光形式进行的分类，可分为滤光片型、色散型(光栅、棱镜)、傅里叶变换型等类型。
下面分别加以叙述。
二、滤光片型近红外光谱仪器：滤光片型近红外光谱仪器以滤光片作为分光系统，即采用滤光片作为单色光器件。
滤光片型近红外光谱仪器可分为固定式滤光片和可调式滤光片两种形式，其中固定滤光片型的仪器时近红外光谱仪最早的设计形式。
仪器工作时，由光源发出的光通过滤光片后得到一宽带的单色光，与样品作用后到达检测器。
该类型仪器优点是：仪器的体积小，可以作为专用的便携仪器;制造成本低，适于大面积推广。
该类型仪器缺点是：单色光的谱带较宽，波长分辨率差;对温湿度较为敏感;得不到连续光谱;不能对谱图进行预处理，得到的信息量少。
故只能作为较低档的专用仪器。
三、色散型近红外光谱仪器：色散型近红外光谱仪器的分光元件可以是棱镜或光栅。
为获得较高分辨率，现代色散型仪器中多采用全息光栅作为分光元件，扫描型仪器通过光栅的转动，使单色光按照波长的高低依次通过样品，进入检测器检测。
光栅光谱仪系统实验报告
光栅光谱仪实验报告班级：姓名：学号：2012.3.27光栅光谱仪系统(Grating spectrum-meter system)主讲教师：严祥安光谱分析方法作为一种重要的分析手段，在科研、生产、质控等方面，都发挥着极大的作用。
无论是穿透吸收光谱，还是荧光光谱，拉曼光谱，如何获得单波长辐射是不可缺少的手段。
由于现代单色仪可具有很宽的光谱范围（UV- IR），高光谱分辨率（到0.001nm）,自动波长扫描，完整的电脑控制功能极易与其他周边设备融合为高性能自动测试系统，使用电脑自动扫描多光栅单色仪已成为光谱研究的首选。
一、实验目的1.掌握发射光谱测试系统，光学元件的透射率光谱,反射率光谱测试系统以及荧光光谱测试系统的搭建2.学习利用电脑自动扫描多光栅单色仪测试各种光源特性谱线，学会分析各种光学元件的反射、透射谱线。
3.学习利用组合多光栅单色仪测试物质荧光光谱，分析荧光物质成分。
二、光栅光谱仪测试系统组件名称1．LHD30 氘灯光源室+LPD30氘灯稳流电源(Deuterium lamp house and deuterium power supply for steady current) 2．LHX150高压氙灯光源室+LPX150高压氙灯稳流电源(Xe lamp house and steady power supply in high voltage)3．LHT75溴钨灯光源室+LPT75溴钨灯稳流电源(bromine tungsten)4．LHM254波长校准汞灯光源(The Hg lamp house for calibrating grating, the character wavelength is 254nm)5．NFC-532-15陷波滤波装置The 532nm wavelength is bound when light from the lamp house crossing the filter.6．SPB300 300mm光栅光谱仪(the focus is 300nm)7．SPB500 500mm光栅光谱仪8．SD 六挡滤光片轮the light filer for six steps9．SAC 三口样品室sample house10.DCS102数据采集器data acquisition implement11.PMTH-S1-CR131 光电倍增管photo multiplier tube12.HVC1005 高压稳压电源regulated power supply in high voltage13.DSI300 硅光电探测器silicon photon detector三、光栅基础知识及实验原理图当一束复合光线进入单色仪的入射狭缝，首先由光学准直镜汇聚成平行光，再通过衍射光栅色散为分开的波长（颜色）。
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棱镜-光栅-棱镜型光谱成像系统光学设计吴从均;颜昌翔【摘要】为实现成像光谱仪系统的直视性和小型化特点,设计一种棱镜-光栅-棱镜(PGP)结合式元件,作为分光系统的成像光谱仪光学系统装置.系统主要包括PGP分光原件、准直系统、成像系统和接收系统.光栅采用体全息相位光栅,可以获得很高的衍射效率,准直和成像镜采用对称式结构,可以有效地消垂轴像差.根据实际指标探测器像元尺寸为20 μm×20μm,像元数为512×512,采用双像元合并方法,光谱通道数为148个,狭缝大小为10.2 mm×10.2 mm,波段在400 nm～800 nm,物方数值孔径为0.15.分析了PGP光谱成像系统的原理、特点,对参数关系和体全息相位型光栅的衍射效率进行了详细的讨论.分析结果表明:PGP元件在整个光谱范围内理论衍射效率大于0.6,采用ZEMAX软件进行优化设计,得到系统的平均光谱分辨率优于3nm,在截止频率处平均传递数大于0.7,系统总长90 mm.%In order to make the imaging spectrometer compact and to be directly viewed , an optical system incoporating prism-grating-prism(PGP) component was designed. The system includes PGP device, collimating lens, imaging lens and receiving device. The system uses volume hologram bragg diffraction grating(VHDG) instead of ordinary ruled grating, which have high diffraction efficiency. Symmetric structure that can eliminate lateral abberations automatically is applied to this system. The requirements of design specification are given, which include 512×512 pixels CCD with pixel size of 20 μm×20 μm, 148 spectrum channels,slit size of 10 mm×0. 02 mm,object NA of 0. 15, and operation wavelength ranging from 400 nm to 800 nm. System concept and features, diffraction efficiency, paramentsrelationship are discussed. According to analysis, diffraction efficiency is higher than 0. 6 in the whole spectrum range. Using ZEMAX optical optimization software, the MTF of the sysytem is better than 0. 7 at the Nyquist frequency, the spectural resolution is better than 3 nm, and the length of the sysytem is 90 mm.【期刊名称】《应用光学》【年(卷),期】2012(033)001【总页数】7页(P37-43)【关键词】PGP;体全息相位光栅;成像光谱仪;衍射效率;光学设计【作者】吴从均;颜昌翔【作者单位】中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林长春130033;中国科学院长春光学精密机械与物理研究所空间光学部,吉林长春130033;中国科学院研究生院,北京100039【正文语种】中文【中图分类】O433;TH703引言成像光谱仪可以同时获得二维空间信息和一维光谱信息，在地质分析、矿产勘探、地面测绘、军事监测、医疗器械、自然灾害预警等诸多方面有着重要的应用。
分光元件是成像光谱仪的核心部件。
利用光栅、棱镜和傅里叶变换方式作为光谱仪的分光系统在相关文献中已有过详细讨论［1］，对它的各自特点也做了比较。
光栅分光不仅存在谱线弯曲现象，而且在宽谱段中存在级次重叠；棱镜虽然没有级次重叠，但是同样存在谱线弯曲，这对于像元配准和光谱定标都是比较复杂的；傅里叶变换型光谱仪分辨率高，光通量大，但对环境变化敏感、光谱定标相对复杂［2］；采用 AOTF、LCTF、波带片等二元光学元件和折衍射系统组合的分光方法相对还不成熟［3］。
近年来对于分光方式又有很多新颖的方式出现，如量子光谱遥感技术和基于 MEOMS（微光机电系统）原理的 Hadamard分光［4］等，但由于技术和工艺等原因这种分光方式仍停留在理论阶段。
将各种分光方式相互结合，发挥各种器件的优势，是工程应用解决实际问题的重要手段，也是很多工程人员探索的方向，PGP分光器件就是在结合了棱镜和光栅各自特点的基础之上发展起来的。
PGP元件作为分光器件在成像光谱仪－AISA［5］上得到很好的应用，国内在显微高光谱成像光谱仪中也有相关的应用［6］，苏州大学朱善兵［7］等人也对其光学系统进行过设计和讨论。
本文详细讨论PGP元件特性，并运用理论计算了体全息相位型布拉格衍射光栅的衍射效率，对于一种常用机载的超光谱成像仪光学系统进行设计，给出设计结构和像质评价并对结果进行分析说明。
1 PGP元件PGP元件结合了光栅和棱镜在单独作为分光元件时色散方向的一致性和谱线弯曲的相反特性，在中心波长处可以实现光谱直进直出，两者光谱线的相反弯曲可以相互得到补偿。
传统的刻划透射式光栅在作为分光元件时，由于零级光占去很大一部分能量，使得1级光谱能量较小，体全息光栅是基于折射率调制度制作的，可以很好地把能量集中到正1（或－1）级上。
因此，采用体全息布拉格衍射光栅，该光栅是在玻璃基底上采用重铬酸盐（DCG）明胶或者光致聚合物作为记录介质，根据全息原理经过曝光和显影，形成折射率调制型体光栅。
该类光栅表面为平面，可以和玻璃棱镜很好地胶合，在中心波长处衍射效率接近100%。
1.1 PGP分光原理PGP元件采用普通棱镜和体全息布拉格衍射光栅胶合达到分光的目的，整个元件如图1所示。
平行光经过棱镜色散，不同波长以不相等的角度入射到体光栅上，衬底材料和棱镜相同，这样可以使得在二者的胶合面上出现光束偏折，通过光栅后的光束再一次经过棱镜色散，使得中心波长λC不会发生偏折，沿光轴方向平行出射。
图1 PGP元件原理图Fig.1 PGP element schematic diagram1.2 PGP参数关系在图1中，根据体全息衍射光栅情况下存在一个布拉格衍射角度，在这个角度下衍射效率最大理论值可达100%。
当入射波段满足布拉格衍射条件时，有：式中：n为记录介质（DCG）的平均折射率；d为光栅常数；λB为光栅的布拉格衍射波长；θB是对应布拉格衍射条件下光栅的入射角度。
在棱镜表面平行光发生偏折，根据折射定律，有：式中：nλ1为棱镜1对应波长的折射率；β1为棱镜的顶角；θλ为对应波长在光栅上的入射角。
为使布拉格衍射波长在光栅上按照布拉格衍射角度入射，可以得到棱镜1的顶角β1如下：在中心波长处（中心波长处各参数下标采用C表示，棱镜1由1表示，棱镜2由2表示），θ1C由（2）式可求得：光栅面上光束的偏折按照光栅方程，可以得到经过光栅后的出射角为通过棱镜2的出射角为θC－axis，为实现中心波长的直进直出，根据几何关系可以知道，θC－axis和棱镜2的顶角β2相等，即：任意波长的出射角度和光轴的夹角为2个棱镜厚度之间满足的关系为当采用对称形式设计时，棱镜1、2材料相同，中心波长和布拉格衍射波长相等时，可以得到2个棱镜的参数相同，这和文献［7］中的结果完全一致。
1.3 体全息光栅的衍射效率分析体全息布拉格衍射光栅的衍射效率可以采用电磁场严格耦合波理论［8］（RCWA）、标量耦合理论［9］、基于矩阵和多光束干涉理论结合［10］进行分析计算。
严格耦合理论可以得到精确的理论衍射效率，但是对于方程的求解必须使用数值方法求解，比较复杂；多光束干涉理论是一种近似的讨论方法；Kogelnik的标量耦合得到的结果如（9）式所示：式中：d表示光栅记录介质的厚度；Λ为光栅的周期；θ0为布拉格条件下的入射角；Δθ为布拉格入射角度偏离量；Δn表示折射率调制度。
当仅采用一级光谱时，非偏振情况下衍射效率可以用（10）式表示：式中θα表示入射光线和出射光线的夹角。
由（10）式可以看出，这种光栅的衍射效率与记录介质的厚度、光栅周期以及入射波长有关。
2 PGP成像光谱仪系统2.1 PGP成像光谱仪原理整个成像光谱仪的光学系统原理如图2所示。
由前置望远系统、狭缝、准直镜、PGP元件、成像镜、接收系统组成。
望远镜将物方景像成像到狭缝处，狭缝位于准直系统的物方焦面上，准直光束经过PGP元件后按照不同的波段在空间分开，成像镜将不同波段的光束成像到像面接收装置，接收装置上的像是将狭缝按照不同谱段予以展开成像。
一般的光谱仪系统是指从狭缝开始到接收元件之间的光学装置，整个光谱仪系统属于像方远心光学系统，这样可以有效地消除边缘视场渐晕。
图2 PGP成像光谱仪光学系统Fig.2 Optical system of PGP imaging spectrometer2.2 PGP成像光谱仪特点PGP成像光谱仪具有以下特点：1）直视性。
整个系统采用透射装置，从狭缝开始各光学元件保证共轴，按照所选则的中心波长和光栅常数，设计棱镜实现中心波长的无偏折成像，这对于整个机械结构和装调都是十分有利的。
2）对称性。
系统的准直镜和成像镜采用对称装置，放大率为－1，这种设计对于垂轴像差的校正十分有利，在设计准直镜和成像镜时只需要对纵轴像差进行严格的校正即可。
3）光谱弯曲互补性。
棱镜和光栅在单独作为分光元件时存在谱段弯曲，而且两者的弯曲方向刚好相反，棱镜弯向短波方向，光栅弯向长波方向，PGP系统中将二者结合可以有效地消除谱线弯曲。
但是由于两者的弯曲变化速率不同，这种补偿也是有限的，仅可能在某波长（一般是在中心波长处）实现零弯曲，补偿效应并非简单的代数和差关系，这主要是由于不同波长的光在光栅上的入射角度不同所致。