成像光谱仪的色散元件

2.3.2　成像光谱仪的色散元件

推扫式成像是目前应用较普遍的形式，其成像光谱仪具有价廉物美的优点，其核心部件是色散元件，下面介绍常用的两种成像光谱仪色散元件。

1.棱镜－光栅－棱镜（prism－grating－prism）式

棱镜－光栅－棱镜式色散元件由棱镜和光栅组成，称为PGP光学器件。该元件是由两个棱镜和一个透射光栅组成的，透射光栅嵌在两个棱镜之间。该色散元件的透射光栅是一种体全息透射光栅，且其左右两个棱镜完全相同。在这个光学器件中，入射光由棱镜定向控制，通过透射光栅后产生光色散，使不同波长的光色散进入不同方向，光经过处理后，扩散进入不同波长的光区域。这种结构的优点是：各元件的光轴对称一致，使得仪器的光轴在一条直线上，生成的光谱按规律排列在光轴附近，当检测器检测光时，不需要倾斜测量，不需要精确控制测量角。

PGP色散元件横截面如图2－6所示（Mauri，2001）。第一个棱镜2和第二个棱镜3完全相同，它们对称排列在光栅4两边。棱镜2和棱镜3的顶角β1和β2相等，而且其厚度以及制造材料也相同。棱镜2、棱镜3和光栅4通过表面连接组成完整的光学器件PGP。该光学器件的棱镜2、光栅4和棱镜3具有共同的光轴A—A。

图2－6　PGP色散元件横截面示意图

1—PGP光学器件；2—第一个棱镜；3—第二个棱镜；4—光栅；

5—入射光束；6—波长λ₁光束；7—波长λ₂光束；8—波长λ₃光束

工作时，平行光束5进入PGP光学器件1的棱镜2侧面2a，根据斯涅尔（Snell）折射定律，光线经棱镜折射后进入光栅4。假设入射角为α₁的单色光在经过光栅4折射后，得到折射角α₂、波长λ₂的折射光。则在图2－6中，中间波长为λ₂的一束光经过棱镜、光栅，沿光轴A—A方向离开第二个棱镜3的侧面3b时，会形成向外离开光学器件1的最长波长为λ₁的虚线光束6。由于棱镜2和3相同，光线离开第二个棱镜3侧面3b的偏转与光入射第一个棱镜2侧面2a的偏转是对称的。所以，离开第二个棱镜3侧面3b波长为λ₂的光束7按照与A—A光轴相同方向传播。根据相关知识，光谱中入射光束5中波长最短的λ₃的虚线光束8离开光学器件的偏转角最大。

当然，我们可以通过光栅4确定入射光束5的传播角、波长λ₁的光束传播角、中间波长λ₂的光束传播角与波长λ₃的光束传播角之间的关系。

实际上，该套光学器件1的结构是可以改变的。例如，改变棱镜顶角β1、β2的大小，改变棱镜的厚度，或者使用不同的材料，都可以导致棱镜折射特性的改变。

图2－7所示为采用PGP色散元件的光学器件的工作原理。如来自一束光纤光源9的光，通过透镜系统10得到平行光束，到达光学器件1。该光学器件1的参数与图2－6相同。在光传播过程中，经过PGP光学器件1的光被色散成以波长次序排列的光谱，再进入另一成像透镜系统11控制到达CCD点阵检测器12，并由点阵检测器12记录光谱。

图2－7　PGP光学器件的工作原理

1—PGP光学器件；2—第一个棱镜；3—第二个棱镜；4—光栅；

9—入射光束；10—入射透镜组；11—成像透镜组；12—检测器

图2－8进一步从原理上显示采用PGP色散元件的成像光谱仪的高光谱成像方法。该成像光谱仪包含一个镜头13、一个狭缝14、第一透镜系统15、PGP光学器件1、第二透镜系统16、检测器17。光经过镜头13、狭缝14、第一透镜系统15后得到平行光进入光学器件1。光学器件1的参数与图2－6完全相同。离开光学器件1的光通过第二透镜系统16，经整合、控制转向到达检测器17得到以波长顺序排列的光谱。

图2－8　采用PGP色散元件的成像光谱仪的高光谱成像方法

1—PGP光学器件；2—第一个棱镜；3—第二个棱镜；4—光栅；

13—相机镜头；14—狭缝；15—第一透镜系统；16—第二透镜系统；17—检测器

2.曲面校正衍射光栅式

物体反射回来的光经过狭缝1、第一个曲面镜3，把从狭缝中透过的光反射到曲面衍射光栅5上，通过曲面衍射光栅把光色散成不同光谱，这些不同光谱的光被反射镜4反射到相机6（CCD）中形成光谱图像，如图2－9所示。

图2－9　曲面校正衍射光栅式成像光谱仪的原理示意图

1—狭缝；2—入射光；3—第一曲面镜；4—第二曲面镜；5—曲面衍射光栅；6—检测器（CCD）