一种可调面型体布拉格光栅及光谱成像仪

摘要

本发明公开了一种可调面型体布拉格光栅及光谱成像仪，其中，可调面型体布拉格光栅包括体布拉格光栅和覆盖于所述体布拉格光栅上表面的面型调节层，通过调节所述面型调节层的折射率来改变所述体布拉格光栅的面型。本发明的目的在于提供一种可调面型体布拉格光栅及光谱成像仪，该可调面型体布拉格光栅的面型可调节，因此可以代替多个不同面型的体布拉格光栅，且在面型更改过程中，不需要将可调面型体布拉格光栅从光路中取出，因此在面型更改过程中不需要重新调整光路，不仅可以降低成本还可以提高工作效率。

权利要求

1.一种可调面型体布拉格光栅，其特征在于，包括体布拉格光栅(17)和覆盖于所述体布拉格光栅(17)上表面的面型调节层，通过调节所述面型调节层的折射率来改变所述体布拉格光栅(17)的面型；

所述面型调节层包括从上至下依次设置的基板层(11)、第一电极层(12)、第一取向层(13)、液晶层(14)、第二取向层(15)以及第二电极层(16)，所述第二电极层(16)设置于所述体布拉格光栅(17)的上表面，且所述第一电极层(12)连接有外部驱动电路。

2.根据权利要求1所述的一种可调面型体布拉格光栅，其特征在于，所述第一电极层(12)设置为条状电极阵列，且所述条状电极阵列中的每一根条状电极均与所述外部驱动电路连接。

3.根据权利要求1或2所述的一种可调面型体布拉格光栅，其特征在于，所述第二电极层(16)设置为块状电极。

4.一种光谱成像仪，其特征在于，包括成像镜头(1)、感光元件(6)以及如权利要求1‑3中任意一项所述的一种可调面型体布拉格光栅；被观测目标的光束经成像镜头(1)收集后传输至所述可调面型体布拉格光栅(4)处，所述光束经所述可调面型体布拉格光栅(4)衍射后传输至所述感光元件(6)进行成像显示。

5.根据权利要求4所述的一种光谱成像仪，其特征在于，还包括反射镜(2)，所述反射镜(2)设置于所述成像镜头(1)和所述可调面型体布拉格光栅(4)之间；当被观测目标的光束经成像镜头(1)收集后传输至所述反射镜(2)，所述光束经所述反射镜(2)反射后传输至所述可调面型体布拉格光栅(4)。

6.根据权利要求4所述的一种光谱成像仪，其特征在于，还包括可调光阑(3)，所述可调光阑(3)设置于所述成像镜头(1)和所述可调面型体布拉格光栅(4)之间，当被观测目标的光束经成像镜头(1)收集后传输至所述可调光阑(3)，所述光束经所述可调光阑(3)作用后传输至所述可调面型体布拉格光栅(4)。

7.根据权利要求4所述的一种光谱成像仪，其特征在于，还包括吸收黑腔(10)，所述吸收黑腔(10)设置于所述可调面型体布拉格光栅(4)的后表面。

8.根据权利要求4‑7中任意一项所述的一种光谱成像仪，其特征在于，还包括位移装置，所述位移装置用于改变所述可调面型体布拉格光栅(4)的角度和/或所述感光元件(6)的位置。

9.根据权利要求8所述的一种光谱成像仪，其特征在于，所述位移装置包括驱动装置(8)以及与所述驱动装置(8)电连接的旋转台(5)、二维位移平台(7)以及控制终端(9)；

其中，所述可调面型体布拉格光栅(4)设置于所述旋转台(5)上，所述感光元件(6)设置于所述二维位移平台(7)上；当所述控制终端(9)生成控制指令时，所述驱动装置(8)响应于所述控制指令驱动所述旋转台(5)旋转和/或所述二维位移平台(7)运动。

说明书

一种可调面型体布拉格光栅及光谱成像仪

技术领域

[0001] 本发明涉及光学元件技术领域，尤其涉及一种可调面型体布拉格光栅及光谱成像仪。

背景技术

[0002] 体布拉格光栅(VBG)是一种新型的光栅元件，它是在光敏玻璃(Photo‑Thermo‑Refractive 简称 PTR)的技术上，通过紫外光的热加工作用，引起具有一些特殊成分的光
敏玻璃(PTR)的折射率的永久性改变，从而在PTR内部形成按一定规律的内部折射率分布。

[0003] 现有的体布拉格光栅的面型在制作过程中就固定成型了，后续无法进行更改，因此在需要使用不同面型的体布拉格光栅的光路系统中，需要配置多个体布拉格光栅，不仅
增加了成本，而且在更换不同面型的体布拉格光栅的过程中还需要重新调节光路，极大的
浪费了光路调试时间，严重的降低了工作效率。

发明内容

[0004] 本发明的目的在于提供一种可调面型体布拉格光栅及光谱成像仪，该可调面型体布拉格光栅的面型可调节，因此可以代替多个不同面型的体布拉格光栅，且在面型更改过
程中，不需要将可调面型体布拉格光栅从光路中取出，因此在面型更改过程中不需要重新
调整光路，不仅可以降低成本还可以提高工作效率。

[0005] 本发明通过下述技术方案实现：

[0006] 一种可调面型体布拉格光栅，包括体布拉格光栅和覆盖于所述体布拉格光栅上表面的面型调节层，通过调节所述面型调节层的折射率来改变所述体布拉格光栅的面型。

[0007] 现有的体布拉格光栅的面型在制作过程中就固定成型了，后续无法进行更改，因此在需要使用不同面型的体布拉格光栅的光路系统中，需要配置多个体布拉格光栅，不仅
增加了成本，而且在更换不同面型的体布拉格光栅的过程中还需要重新调节光路，极大的
浪费了光路调试时间，降低了工作效率。基于此，本申请提供了一种可调面型体布拉格光
栅，该可调面型体布拉格光栅具有面型调节层，通过调节面型调节层的折射率来改变体布
拉格光栅的面型，从而可以通过一个可调面型体布拉格光栅来代替多个不同面型的体布拉
格光栅，有效降低成本；且在面型更改过程中，不需要将可调面型体布拉格光栅从光路中取
出，因此在面型更改过程中不需要重新调整光路，可有效提高工作效率。

[0008] 优选地，所述面型调节层包括从上至下依次设置的基板层、第一电极层、第一取向层、液晶层、第二取向层以及第二电极层，所述第二电极层设置于所述体布拉格光栅的上表
面，且所述第一电极层连接有外部驱动电路。

[0009] 优选地，所述第一电极层设置为条状电极阵列，且所述条状电极阵列中的每一根条状电极均与所述外部驱动电路连接。

[0010] 优选地，所述第二电极层设置为块状电极。

[0011] 一种光谱成像仪，包括成像镜头、感光元件以及如上所述的一种可调面型体布拉格光栅；被观测目标的光束经成像镜头收集后传输至所述可调面型体布拉格光栅处，所述
光束经所述可调面型体布拉格光栅衍射后传输至所述感光元件进行成像显示。

[0012] 体布拉格光栅窄带滤波成像技术是实现凝视型光谱成像的一种新途径，具有光谱透过率高、光谱调谐范围宽等优点，在空间光学和信息光学等领域的应用前景广阔。但是，
在实际的系统应用中，滤波谱宽有待进一步降低，系统结构需要进一步简化。基于此，本申
请提供了一种光谱成像仪，本申请中的可调面型体布拉格光栅的面型结构可调，通过调节
可调面型体布拉格光栅的面型可使得体布拉格光栅具有一定的曲率，从而可以调整光束在
体布拉格光栅内的角谱分布，进而减小滤波谱宽，降低像面的色模糊，提高成像的空间分辨
率；同时通过采用具有一定曲率分布的体布拉格光栅，无需光束整形光路和成像光路，即可
实现入射光束角谱变换、光谱滤波和成像的功能，可有效简化系统结构、增加系统的鲁棒性
和环境适应性。

[0013] 优选地，还包括反射镜，所述反射镜设置于所述成像镜头和所述可调面型体布拉格光栅之间；当被观测目标的光束经成像镜头收集后传输至所述反射镜，所述光束经所述
反射镜反射后传输至所述可调面型体布拉格光栅。

[0014] 优选地，还包括可调光阑，所述可调光阑设置于所述成像镜头和所述可调面型体布拉格光栅之间，当被观测目标的光束经成像镜头收集后传输至所述可调光阑，所述光束
经所述可调光阑作用后传输至所述可调面型体布拉格光栅。

[0015] 优选地，还包括吸收黑腔，所述吸收黑腔设置于所述可调面型体布拉格光栅的后表面。

[0016] 优选地，还包括位移装置，所述位移装置用于改变所述可调面型体布拉格光栅的角度和/或所述感光元件的位置。

[0017] 优选地，所述位移装置包括驱动装置以及与所述驱动装置电连接的旋转台、二维位移平台以及控制终端；

[0018] 其中，所述可调面型体布拉格光栅设置于所述旋转台上，所述感光元件设置于所述二维位移平台上；当所述控制终端生成控制指令时，所述驱动装置响应于所述控制指令
驱动所述旋转台旋转和/或所述二维位移平台运动。

[0019] 本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

[0020] 1、该可调面型体布拉格光栅具有面型调节层，通过调节面型调节层的折射率来改变体布拉格光栅的面型，从而可以使得用一个可调面型体布拉格光栅来代替多个不同面型
的体布拉格光栅，可有效降低成本；

[0021] 2、在面型更改过程中，不需要将可调面型体布拉格光栅从光路中取出，因此在面型更改过程中不需要重新调整光路，可有效提高工作效率；

[0022] 3、通过调节可调面型体布拉格光栅的面型使得体布拉格光栅具有一定的曲率，从而可以调整光束在体布拉格光栅内的角谱分布，进而减小滤波谱宽，降低像面的色模糊，提
高成像的空间分辨率；

[0023] 4、采用具有一定曲率分布的体布拉格光栅，无需光束整形光路和成像光路，即可实现入射光束角谱变换、光谱滤波和成像的功能，可有效简化系统结构、增加系统的鲁棒性
和环境适应性。

附图说明

[0024] 此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

[0025] 图1为本发明可调面型体布拉格光栅的结构示意图；

[0026] 图2为本发明第一电极层的结构示意图；

[0027] 图3为本发明光谱成像仪的结构示意图；

[0028] 附图中标记及对应的零部件名称：

[0029] 1、成像镜头；2、反射镜；3、可调光阑；4、可调面型体布拉格光栅；5、旋转台；6、感光元件；7、二维位移平台；8、驱动装置；9、控制终端；10、吸收黑腔；11、基板层；12、第一电极
层；13、第一取向层；14、液晶层；15、第二取向层；16、第二电极层；17、体布拉格光栅。

具体实施方式

[0030] 为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作
为对本发明的限定。

[0031] 实施例1

[0032] 本实施例提供了一种可调面型体布拉格光栅，包括体布拉格光栅17和覆盖于体布拉格光栅17上表面的面型调节层，通过调节面型调节层的折射率来改变体布拉格光栅17的
面型。

[0033] 现有的体布拉格光栅17的面型在制作过程中就固定成型了，后续无法进行更改，因此在需要使用不同面型的体布拉格光栅17的光路系统中，需要配置多个体布拉格光栅
17，不仅增加了成本，而且在更换不同面型的体布拉格光栅17的过程中还需要重新调节光
路，极大浪费了光路调试时间，降低了工作效率。基于此，本申请提供了一种可调面型体布
拉格光栅，该可调面型体布拉格光栅4具有面型调节层，通过调节面型调节层的折射率来改
变体布拉格光栅17的面型，从而使得可以通过一个可调面型体布拉格光栅4来代替多个不
同面型的体布拉格光栅17；且在面型更改过程中，不需要将可调面型体布拉格光栅4从光路
中取出，因此在面型更改过程中不需要重新调整光路，不仅可以降低成本还可以提高工作
效率。

[0034] 具体地，本实施例中的面型调节层如图1所示，包括从上至下依次设置的基板层11、第一电极层12、第一取向层13、液晶层14、第二取向层15以及第二电极层16，第二电极层
16设置于体布拉格光栅17的上表面；其中，本实施例中的第二电极层16设置为块状电极，第
一电极层12设置为条状电极阵列，如图2所示，且条状电极阵列中的每一根条状电极均与外
部驱动电路连接，本实施例所说的外部驱动电路可以为电源芯片，通过将电源芯片上的若
干个输出端分别与每一根条状电极电连接，即输出端与条状电极一一对应，实现每一根电
极上所加载电压的独立控制。

[0035] 以下对本申请的原理进行说明：

[0036] 液晶层14上方的每一根独立条状电极与下方的块状电极层形成一定的电场分布，其电场强度与每一根独立电极上加载的电压相关，不同强度的电场对液晶分子的指向矢分
布进行调控，从而改变液晶折射率。因此，通过改变条状电极阵列上的电压分布，即可实现
液晶层14不同位置上的折射率分布。其中，值得说明的是，第一电极层12的形状不限于条状
电极阵列，可根据需要的面型结构进行合理设置。

[0037] 以下以球面面型体布拉格光栅17的实现方式进行说明：

[0038] 要实现球面面型体布拉格光栅17，则需要液晶层14对于光波具有球面的相位分布，通过标定液晶层14的电压‑相位延迟关系，即可获得条状电极阵列上需要加载的电压分
布。

[0039] 需要注意的是，通常液晶层14的厚度在几个微米，相位延迟能力大于2π，但不能过大。因此，如果所需加载的相位延迟超过2π以后，则对该相位延迟量进行模2π处理（即，相位
延迟量除以2π，取余数）。经过这样处理，获得的相位分布，相位延迟量在0～2π范围，但不影
响所需模拟的曲面相位分布。

[0040] 以上是以球面举例，不同曲率的球面，本质上是相位分布的不同，改变电压分布即可实现。以此类推，其他的各种难以加工的非球面面型，均可用该方法实现。

[0041] 实施例2

[0042] 本实施例在实施例1 的基础上提出了一种光谱成像仪，如图3所示，包括成像镜头1、感光元件6以及如实施例1提供的可调面型体布拉格光栅4；其中，成像镜头1可以设置为
单透镜也可以设置为透镜组，只要能实现被观测目标的光束收集即可；感光元件6可以设置
为CCD传感器也可以设置为COMS传感器，只要能实现光束的成像显示即可。在具体实施时，
为了保证成像的清晰度，提升成像的空间分辨率，感光元件6安装在可调面型体布拉格光栅
4的焦点处，并使得焦点位置始终处于感光元件6的感光面上。

[0043] 其中，使得说明的是，图3中的可调面型体布拉格光栅4的真实形状是平面，如图1所示；而在本实施例中，由于需要通过调节作用在可调面型体布拉格光栅4上的电压，使得
液晶层14对于光波具有球面的相位分布，因此为了便于理解，在本实施例中，将可调面型体
布拉格光栅4的表面等效画为曲面，如图3所示。

[0044] 以下对本方案的原理进行说明：

[0045] 被观测目标的光束经成像镜头1收集后传输至可调面型体布拉格光栅4的面型调节层，经面型调节层折射后进入体布拉格光栅17的介质内部，变为准直光束；如果准直光束
的角度满足体布拉格光栅17的布拉格条件，该准直光束将在体布拉格光栅17内发生衍射，
衍射光束从体布拉格光栅17内部以一定衍射角达到面型调节层，并经过该面型调节层折射
后，聚焦成像于感光元件6。

[0046] 体布拉格光栅17窄带滤波成像技术是实现凝视型光谱成像的一种新途径，具有光谱透过率高、光谱调谐范围宽等优点，在空间光学和信息光学等领域应用前景广阔。但是，
实际系统应用中，滤波谱宽有待进一步降低，系统结构需要进一步简化。基于此，本申请提
供了一种光谱成像仪，本申请中的可调面型体布拉格光栅4的面型结构可调，通过调节作用
于可调面型体布拉格光栅4的电压可以使得可调面型体布拉格光栅4变成具有一定曲率的
曲面体布拉格光栅，从而可以调整光束在体布拉格光栅17内的角谱分布，进而减小滤波谱
宽，降低像面的色模糊，提高成像的空间分辨率；同时光束到可调面型体布拉格光栅4时，经
面型调节层传输后会变成准直光，因此无需在设置光束整形光路和成像光路，即可实现入
射光束角谱变换、光谱滤波和成像的功能，可有效简化系统结构、增加系统的鲁棒性和环境
适应性。

[0047] 进一步地，为了减小光路长度和光谱仪体积，本实施例在成像镜头1和可调面型体布拉格光栅4之间还设置有反射镜2，通过该反射镜2将成像镜头1收集的光束反射至可调面
型体布拉格光栅4的面型调节层，即：在具体实施时，可调面型体布拉格光栅4和成像镜头1
可以分别设置在不同的行，相对于没有设置反射镜2，即可调面型体布拉格光栅4和成像镜
头1设置在同一行时，可有效的减短了光路的长度。

[0048] 进一步地，为了改变滤波谱宽，本实施例中还设置有光阑孔径大小可以调节的可调光阑3，通过调节可调光阑3的大小，改变视场角范围，从而可以改变透过可调光阑3的光
束大小。具体实施时，可调光阑3设置于反射镜2和可调面型体布拉格光栅4之间，被反射镜2
反射后的光束经可调光阑3传输至可调面型体布拉格光栅4。其中，作为优选地，可调光阑3
设置于成像镜头1的焦平面和可调面型体布拉格光栅4的前焦点处。

[0049] 进一步地，由于光束入射到体布拉格光栅17内部后，窄带光谱会进行衍射形成衍射光束，并从体布拉格光栅17内部以一定衍射角达到面型调节层；而其他的光谱成分则会
透过体布拉格光栅17的后表面，为了防止较强的透射光对较弱的衍射光产生干扰，提高信
噪比，本实施例在可调面型体布拉格光栅4的后表面还设置有吸收黑腔10，用于吸收透过布
拉格光栅后表面的透射光。

[0050] 进一步地，考虑到体布拉格光栅17内形成衍射光的滤波中心波长与角度相关，通过改变光束与可调面型体布拉格光栅4的入射角度可以改变滤波的中心波长，基于此，本实
施例中还设置有位移装置，位移装置用于改变可调面型体布拉格光栅4的角度和/或感光元
件6的位置，以确保可调面型体布拉格光栅4的角度改变后，衍射光的焦点始终处于感光元
件6的感光面上。

[0051] 具体地，本实施例中的位移装置包括驱动装置8以及与驱动装置8电连接的旋转台5、二维位移平台7以及控制终端9；

[0052] 其中，可调面型体布拉格光栅4和吸收黑腔10均设置于旋转台5上，感光元件6设置于二维位移平台7上，且感光元件6的感光面朝向可调面型体布拉格光栅4；当控制终端9生
成控制指令时，驱动装置8响应于控制指令并驱动旋转台5旋转和/或二维位移平台7运动，
从而改变光束在体布拉格光栅17介质内部的角度，并使得衍射光的焦点始终处于感光元件
6的感光面上。

[0053] 以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明
的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含
在本发明的保护范围之内。