光栅衍射型光谱成像技术文献调研

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1、光栅衍射型光谱成像技术文献调研光栅是一种重要的色散元件，光栅分光利用了光学衍射原理。根据工作方式分类，光栅可分为透射光栅和反射光栅两种。透射光栅由一系列大小相等、间隔相等的小狭缝组成。而反射光栅是在反射镜上刻划一道道刻痕制成的。在反射光栅中，按反射镜的形状不同还可分为平面光栅、凹面光栅和凸面光栅。光栅作为光谱成像仪的分光组件，其最大的优点是光谱色散线性，在全光谱波段均可使用，结构简单；缺点是当光谱范围较大时，会发生重级现象。典型光栅衍射型光谱成像仪的光学原理结构图如图1所示，主要由指向镜、望远镜物镜、狭缝、准直镜、光栅、成像

2、镜和探测器等组成。图1光栅衍射型光谱成像仪成像原理光栅分光型成像光谱仪大多采用反射式同心光学系统结构，其球差和彗差可得到很好的校正，设计难点在于校正像散。相比较而言，平面光栅的制作难度远小于曲面光栅，然而曲面光栅型成像光谱仪系统能更好地校正谱线弯曲，而且曲面光栅型成像光谱仪可选择更大的数值孔径。下面列举几种典型的光栅型成像光谱仪。1基于平面光栅的CzernyTurner光谱仪和Schwarzschild光谱仪Czerny-Turner光栅光谱仪包括入射狭缝、准直镜、反射光栅、聚焦镜和探测器5个部件。如图2所示，入射光经狭缝进

3、入光学系统，经过准直镜后入射到光栅，经光栅分光后通过聚焦镜聚焦到线阵探测器上[1]。图2Czerny-Turner光谱仪光学系统图由于系统采用离轴光，轴外光线入射时，球面镜由于子午面和弧矢面的曲率不同，子午像和弧矢像不重合，系统存在像散，而且光栅分光还将导致不同波长的像散值不同，差别较大，不矫正色散，会导致系统的性能降低，因此在光学设计过程中需对整个波长范围校正像散。对宽谱段Czerny-Turner系统消像散的方法有多种，如使用额外的凸面镜，在入射狭缝前放置补偿透镜组，使用超环面面型，使用柱面光栅，引入发散光照明等。但这些

4、方法均增加了元件的加工或装调的复杂程度。一个很好的解决方法是，全球面的反射镜加上一个柱面透镜用于补偿宽谱段的像散[2]，如图3所示。这个设计使用价格低、技术成熟的柱面透镜，矫正了像散，满足了使用要求。如图4所示，提出了另外一种矫正像散的结构，双Schwarzschild光学系统。在这个结构中，聚焦部分和准直部分共用了同一个凸面镜。两个凹面镜的曲率半径相等且位置对称，并且可以被一个凹面镜取代[3]。图3宽谱段像散矫正的Czerny-Turner光谱仪图4Schwarzschild光谱仪5.2基于凹面光栅的Dyson成像光谱仪1

5、959年Dyson第一次提出了由一个平凸厚透镜和一个凹面镜组成的同心光学系统，如图5所示。该系统除了平凸透镜的平面外所有表面为同心球面，即平凸透镜的凸球面和凹面反射镜在纵向关于物点、像点同心，对实际系统来讲，物缝和像面探测器横向分开。Dyson指出将这种结构形式应用于照相平板术中，在高数值孔径下精确的限制空间范围方面具有很好的特性，随后的观察数据显示这种结构形式在微平版印刷领域也得到了很好的应用。大概二十年之后，Mertz首次提出用凹面光栅来代替Dyson同心系统中的凹面反射镜便可得到光谱摄谱仪，当时的难点就是凹面光栅的制作

6、，后来由Jobin-Yvon公司提供的全息光栅保证了这种方案的实施。Mertz通过建立了一套基于Dyson结构和全息光栅的数值孔径为0.66的紫外设备首次证明了基于Dyson理论可以得到高通量的光谱仪系统，由于Dyson同心系统在宽波段范围内具有良好成像质量的同时可实现系统的结构简单紧凑，这使光谱仪系统实现了传统光谱仪难以实现的同时具有高通量和小型化的要求[4]。图5Dyson同心光学系统基于凹面光栅的Dyson成像光谱仪的一个代表是MAGI（theMineralandGasIdentifier）。MAGIDyson光谱仪如

7、图6所示，是一个用于地球科学应用的新的高性能机载热红外光谱仪，NASA地球科学技术办公室资助，2011年12月被装载在DeHavillandTwinOtter飞机上第一次使用，质量只有0.5Kg，长度11.5cm。使用Dyson结构，是因为它结构紧凑，光学畸变小。在设计时加入了ZnSe非球面矫正镜，使物面和像面与Dyson透镜的表面分开。MAGI光谱范围7.1—12.7um，有32个光谱通道[5]。图6MAGIDyson光谱仪5.3基于凸面光栅的Offner成像光谱仪凸面光栅Offner结构成像光谱仪是在Offner提出的同

8、心三反射镜成像光学系统的基础上发展起来的。它由两个同心的球面反射镜组成，一个为凹面镜，另一个为凸面镜。若干年后，Thevenon提出把其中的凸面镜改成凸面衍射光栅，可做成新型的成像光谱仪的思想。Offner成像光谱仪的光学结构如图7所示。左上方的点为狭缝，狭缝方向与y轴方向平行，右下方为探