高光谱成像仪分光元件之色散光栅型分光

高光谱成像中最重要的一个组成部分就是分光元件，负责将光束根据不同波长分成不同的谱段，根据接收到的光谱成像信息，分析得到物体的光谱特性。其根据分光元件的不同可以分为不同的类型，其中比较常见就有色散棱镜型。本文对色散光栅型分光做了介绍。

基于多缝夫琅和费衍射原理的衍射光栅具有非常好的色散分光效果，广泛应用于光纤通信、单色仪、光谱仪以及精密测量等诸多领域。随着近些年来光栅制作工艺的成熟，玻璃片的单位间距内能够准确的刻划出成千上万条条纹，由衍射光栅的定义可知，光栅常数d（相邻狭缝的间距）与光栅的角色散成反比，即条纹数量越多，该衍射光栅的色散能力就越大。与棱镜型分光元件不同，衍射式分光元件材料不受光谱范围的限制，而且色散的线性度更好一些。

（1）平面光栅

分光元件是光谱仪中最重要的组成部分，衍射光柵的种类繁多，根据结构可以分为平面光栅、凹面光栅和凸面光栅，区别于衍射光的方向又分为透射型光柵和反射型光栅。

透射型平面光栅是在玻璃表面刻划等间距的条纹，光线在平整表面处透过，有条纹的地方不透光，相当于狭缝。透射型平面光栅分光元件的结构形式与上图棱镜性分光系统所示的结构大体相同，都是由光线经过准直透镜形成平行光，再垂直于平面光栅入射，根据不同波长不同折射率，产生非单色光的色散现象，但是由于透射系统玻璃材质等问题，系统存在色差，需要引入胶合透镜或其他方式消除色差，增大了光学设计的难度。

（2）凹面光栅

如下图所示，目前大部分凹面光栅型光谱仪都由一个平凸透镜、一个凹面光栅和探测器组成，由于系统基于罗兰圆的同心结构设计，所以整个结构只存在少量的光损失以及有迹可循的像差。在凹面反射面上刻划等间距刻线，入射光线发散入射到凹面光柵后，衍射光线为会聚光线，相较于其他结构形式的光栅分光系统，省去了会聚元件和准直元件，结构更加的紧凑简单。但就目前而言，凹面光栅的加工难度要远大于平面光栅和凸面光栅，这也大大增加了加工成本，不利于大范围的产业化生产；凹面光栅光谱仪的后截距通常较小，在应用于红外系统中，不利于探测器制冷光阑的设计；凹面光栅的色散能力较弱。

（3）凸面光栅

凸面光栅型光谱仪最典型的结构是Offner成像光谱仪，如下图所示，1973年提出的offner结构是同心三反的离轴反射式结构，是由两个反射镜组成，一个凹面反射主镜和一个凸面反射次镜。根据罗兰圆原理，两者共用同一个球心，从位置A发出的光线经过两次主镜以及一次次镜的反射，光线到达位置B，A点和B点关于光轴对称。当次镜的曲率半径怡好为主镜的一半时，整个系统的球差、彗差、畸变等三阶像差全部消失，仅存在五阶以上的像差