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PGP分光器的成像系统设计
朱善兵,季轶群,宫广彪,张蕊蕊,沈为民,唐敏学
（苏州大学、现代光学技术研究所、江苏省现代光学实验室)
摘要：成像光谱仪能够提供物体的图像与光谱信息，形成人们常说的三维光谱图像、二维空间位置信息和一维光谱信息。大多数的成像光谱仪都是用传统的分光元件或系统，如反射式衍射光栅、棱镜、滤光片、干涉仪等分光方法。这里将要介绍一种基于PGP分光元件的特殊成像分光器件，它的分光元器件PGP由两个棱镜和一个置于棱镜之间的体积相位全息透射光栅构成，两个棱镜的主要作用是色散，光栅的作用是光衍射。除了高光谱光效率的体积光栅所要求的高光效率外，可以由其体积的特性避免在使用浮雕型衍射光栅困难地胶合。PGP成像光谱仪有直接分光、色散均匀、设备紧凑、成本低、设备可用等优势。这里对PGP成像光谱仪的原理、结构、优化设计做出了详细的说明 。其前准直光学元件和后聚焦透镜相同，从而进一步降低其成本。所设计的系统的光谱覆盖范围为400～800nm,像元光谱分辨率约1.6nm,系统长度为85mm。从它的性能评价，其结果表明，在PGP成像光谱仪具有在微观高光谱成像和光谱成像远程传感器中使用的潜力。
关键字：PGP、成像光谱仪、全息体积光栅、光学设计
1引言
光谱成像系统成像光谱仪结合了光学成像和光谱分光这两种技术，通过这些技术可获取物体二维空间位置信息和一维光谱信息。与前置伸缩物镜结合，它可以用在远处陆地遥感和海洋、大气及空间观测。它也可以用在显微镜集成和生物医学、化学和材料科学的领域。
目前存在各种各样的光谱技术，它们都是基于棱镜、滤光片、衍射光学元件、干涉仪等分光方法。在传统的棱镜或光栅光谱仪中，,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可以做成直视的分光器件,如阿米西棱镜，其有更高的能量透过率，但是单纯用棱镜组合的直视型分光器件色散是非均匀的，而采用棱镜和光栅组合(Grism)而成的直视型分光器,可以得到比较均匀的色散。
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(Airborne hiperspectral Imaging Spectrogragh of Specim Ltd,AISI)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。
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。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。设计的PGP分光器件工作在可见光波段，它的系统长度短于85mm，它的横向放大倍率为1。这种成像光谱仪是一种物体与图像遥感
中心系统，并且相面很平坦，它具有良好的成像性能，高光谱分辨率，紧凑性，良好的可生产性，成本低的优点。
2直视成像光谱仪的原理
PGP成像光谱仪的结构如图2.1所示,位于远处的目标经前置望远物镜成像在狭缝处，然后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，再经PGP色散分光。经PGP色散分光后的光线,通过成像物镜L2聚焦在检测器所在的焦平面上。对应于不同光谱波段的狭缝光谱像均在焦平面上成像。处于设计波长范围的中心波长光束径直通过该系统，而短的和长波长的光束在中心波长的光谱两侧对称地分散。这些狭缝光谱像通过焦平面阵列的CCD器件来感知与检测。
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。因此，它的立方体数据——两个空间维度和一个波长维度通过这种方式获得。
图1直视光谱成像系统
3光学设计
棱镜-光栅-棱镜（PGP）是该成像光谱仪的重要组成。棱镜和光栅的衍射光相对于入射光的偏转方向相反,色散方向一致。因此,将它们组合成折射衍射混合型元件可使某一波长的入射光和出射光的偏向角等于零，即偏向角互相抵消,构成直进直出、结构紧凑的分光器件，这也是PGP组件的优点所在。
PGP棱镜分光器件的结构如图2, 它包括两个棱镜的与棱镜之间的一个胶结光栅。体积光栅全息刻录在重铬酸盐明胶胶片的平面玻璃基板上。一个平面玻璃覆盖在光栅上，用于防止刻录的光栅潮湿。准直入射光光在棱镜L1表面上发生折射，接着在光栅发生衍射，光栅的衍射与色散发生在第一级中。在棱镜L2表面上折射的光束和偏转分散束，通过棱镜L2该中心波长的光的出射方向仍然是在光轴上。
图3 PGP元件设计
为了达到中心波长最大的衍射效率，入射角与衍射角必须满足布拉格条件，在图1中，体全息相位光栅为非倾斜透射光栅，光栅的传播矢量与胶面平行,因此当入射角theta;2与衍射角theta;3相等并满足下列式子，这样中心波长可完成偏向角为零。
其中d为光栅常数，即光栅折射率周期，是中心波长。
根据在两个棱镜和相对几何的表面折射定律，顶角beta;1和直视条件下的两个棱镜的beta;2可有可以推导如下：
其中n为介质的折射率，即为棱镜的折射率，这里的棱镜、光栅及光栅基片均为同一种玻璃，则折射率相同。
在PGP组件中使用的体积相位全息透射光栅是从传统的表面起伏的光栅不同。由于其平整的表面，它可以很容易地在棱镜之间胶结，VPH提供取决于光栅的厚度和折射率调制衍射效率高。
为了降低成本,分光器件PGP前后的准直物镜和成像物镜可以设计成相同的结构，光阑放在分光器件处，把整个PGP系统设计成像方和物方均是远心光路，使得空间域方向和光谱域方向能同时达到远心性，可以在像面CCD上得到均匀的能量分布，物方远心可以容易地与像方远心的前置望远系统相连接。
4设计结果
图3是经过优化设计得到的PGP光谱成像系统的实例,其工作波段是400～ 800 nm,视场(狭缝长度)为7.6 mm,系统放大倍率是1∶1,物、像方均满足远心光路.准直物镜和成像物镜均采用了焦距为36 mm,相对孔径为2.8的系统.如果选用像元大小为15 m的CCD探测器接收,则获得的像元光谱分辨率约1.6 nm/Pixel.得到整个系统的尺寸为长约85 mm,最大镜片的有效口径约 15 mm.
图3 系统光路
经光学系统的光线追迹得到的点列图如图4,可以考察光线经过光谱仪后在CCD像面上的聚焦情况,图中的方框表示CCD一个像元大小,图中给出三个视场和三个不同工作波长0.4 m、0.6 m和0.8 m对应的点列图情况,可以看到光线追迹得到的光斑都较好地落在一个CCD像元中.衍射能量集中度曲线见图5,85%以上的能量集中在CCD探测器的一个像元范围内.
图4光线追迹点列
图5光学系统能量集中度曲线
图6光学系统传递函数曲线
图6是光谱像在接收器件表面上的相对辐照度分布曲线,像面照度比较均匀.从图7的调制传递函数曲线中可见该系统在所选探测器奈奎斯特频率33.3 lp/mm处的调制传递函数值大于0.7,与衍射极限相接近
图7像面相对照度曲线
图8模拟狭缝光谱像
狭缝光谱像如图8.光谱域方向给出了三个波长处的成像情况,空间域方向长度为7.6 mm.从图8中可以看到光谱像有一定的弯曲,这是由棱镜和光栅在非主截面内的色散作用引入的,光谱像的弯曲量如图8,可以通过图像处理来校正
5结论
本文介绍了PGP成像光谱仪的结构和工作原理，分析PGP分光组元件的设计思想及其前后物镜的设计要求，给出一个PGP成像光谱仪的设计结果，并对其作了详细的像质评价。通过优化设计得到的PGP光谱成像系统，由于采用准直物镜和成像物镜相同的结构,降低了制造成本，系统几何像差小，满足物、像方远心光路,接收器表面照度比较均匀。该类系统相对于其他分光方式的光谱仪具有直视性、结构紧凑、加工装调容易、像质好、光谱分辨率高、成本低且便于携带等优点，可望用于高光谱显微成像和航空航天成像光谱遥感等方面。
光电式传感器的应用与发展
摘要:目前,光电式传感器的应用范围越来越广,这大大促进了光电式传感器的发展。光电式传感器结构简单而且形式多样。它具有精度高，响应速度快，非接触等优点。在本文中，我们分析了光电式传感器的工作原理,介绍了光电式传感器的分类,然后重点介绍了光电式传感器的应用和使用原理,分析了光电式传感器的现状和未来的发展趋势。
关键词:光电式传感器，光电式传感器的应用，光电式传感器的发展
1 引言
光电式传感器是一种将光学元件和电子元件作为检测部分的传感器。光电检测技术具有精度高，响应速度快，非接触式等优点。该传感器结构简单，形式灵活多样。因此，光电式传感器被广泛运用于控制和测试领域。它可用于检测由于光量变化导致的非电量变化，如光强，辐射温度，气体成分等等。它也可以通过光的传输，阻隔，反射，干扰来测量各种物理量，如物体的大小，位移，速度，温度等。所以它是一个具有广泛应用前景的至关重要的灵敏器件。当使用光电式传感器时，光电式传感器不直接与被测物体接触，光束质量几乎为零，在测量过程中不存在摩擦力，且在被测物体上几乎没有任何压力。因此，光电传感器在很多应用方面都比其他传感器具有明显的优势。然而，它的缺点是在某些应用场合中光学器件和电子设备是比较昂贵的，而且在测量过程中对环境条件的要求较高。近年来，新型光电子器件的不断涌现为光电式传感器的进一步应用开创了新的一页尤其是CCD图像传感器的出现。
2 光电传感器的原理
光电传感器是以光电器件作为转换元件的传感器。该光电传感器的原理是把被测量的变化转换成光信号的变化，然后借助光电元件进一步将光信号转换成电信号的光电组件。光电传感器一般由光源、光学通路和光电元件三部分组成。光电传感器的工作过程如图1所示。
图1 光电式传感器的工作过程
光电器件的作用是将光信号转换成基于光电效应的电信号。光电效应是一种物理现象，光照射到某些物质，并导致物体电性质发生重大改变。它可分为外光电效应和内光电效应。
外光电效应是物体内的电子在光的作用下逸出物体表面的物理现象。光子是量子“粒子”来描述可见光波的形式。光子的能量为hv，h是普朗克常数，v是光的频率。光子通量的光强度相对应。 Einstein方程所描述的外部光电效应：
hv=1/2*mv0^2
其中m是电子质量，V0是电子逃逸速度。当光子的能量等于或大于功函数时，就会产生外光电效应。因此，每个对象都有一个相应的光电临界频率，被称为红色极限频率。如果它超过了入射光频率的红色极限频率，那么外源的光电流与光强度成比例。
当光照射到物体上，它可以导致电导率发生改变或产生光生电动势，这就是所谓的内部光电效应。内部光电效应分为光生伏特效应和光电导效应。光伏效应的作用是使对象在光的影响下具有一定力的方向。在该作用下的光电子器件是光敏二极管，晶体管，太阳能电池；光电效应是在光线的作用下，电子吸收光子的能量从粘合状态过渡到自由状态，从而导致材料电导率的变化。光敏电阻器等器件就是基于这样的效果的光电子器件。
3 光电式传感器的分类
光电传感器的分类是多种多样的。光电传感装置根据外光电效应分为光电管和光电倍增管。根据光电导效应制成了光敏电阻。根据光电传感器的阻隔效果分为光电二极管和光电晶体管。根据光电效应的相反过程制成了反向光电二极管。光电式感应器根据信号的形式可以分为模拟光学传感器和数字光学传感器。光电式传感器还包括光纤传感器，固态图像传感器等。图2所示为常见的光电传感器。
图2 常见的光电传感器
4 光电传感器的应用
随着技术的发展，光电式传感器使用越来越多。光电传感器在日常生活，工业生产和信息技术中的应用越来越多。
4.1 光源是被测物体的应用
光照度E的单位为勒克斯（lux），这是光度学中常用的单位之一，这意味着照明系统的物理对象的曝光程度，它可以被用来测量照度计。
1）红外辐射温度计
红外辐射温度计经常应用于非接触式温度测量。红外辐射温度计即可用于为高温度测量也可用于低于冰点的低温度测量，这也是辐射温度计的趋势。市售红外测温仪温度范围从-30℃〜3000℃，中间被分成几个不同的规格，你可以根据需要选择合适的型号。图3所示为红外辐射温度计的形状。
图3 红外辐射温度计的形状
2）热电型红外线传感器
热电型红外线传感器可以检测到人或动物发送的红外光并输出相应的电信号。热电型红外线检测装置已被广泛用于红外光谱法，红外遥感和辐射探测器中。
它也可用于能产生远红外辐射的人体检测和报警中。如防盗门，酒店大堂的自动门，自动灯光控制。例如：当没有人在房间里时，它会自动关闭空调，饮水机；电视可以判断当没有人在看或有人睡眠时自动关闭电路。图4所示为热电型红外线传感器的形状。
图4 热电型红外线传感器的形状lt;
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